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| 編輯推薦： |
★ 摩擦力版《迷人的材料》。不仅介绍了材料本身，对其在实际应用领域的探索，以及在未来将可能出现怎样的突破也进行了无限探索。
★ 一部关于表面科学的内幕指南，提供了科学普及新视角。通过一个个看似毫不相关且引人入胜的故事，揭示摩擦在材料学中发挥的重要作用。
★ 跨学科知识融合。融合了化学、工程学、生物学、仿生学、材料学等多个学科的知识，展示了表面科学在不同领域的应用。
★ 生动的实例与案例研究，兼具趣味性、实用性和知识性。
★ 激发科学探索的兴趣，只要你懂表面，表面就会帮你。通过对表面科学的探索，将更多原理应用于日常生活和尖端技术领域，真正实现科技造福人类。
★ 入围2023年美国科学促进会「优秀科学图书奖」；《迷人的材料》《太阳系度假指南》作者联袂推荐。
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| 內容簡介： |
壁虎如何攀爬？触觉的原理是什么？高尔夫球、飞行器和船只的运动方式为何如此不同？从冰川运动到硬盘驱动器的呼呼声，揭秘藏在万物表面的奇妙力量。
本书深入探讨了表面科学与摩擦力的关系，分析了摩擦力如何深刻影响人造世界与自然世界中的表面现象，并进一步阐述了如何利用表面科学的原理来精确操控黏性，这一能力甚至延伸至单个原子层面。在日常生活中，从每一步行走时空气分子微妙的影响，到办公时便利贴与胶水的使用、不粘锅的烹饪体验、指纹的独特性、壁虎“飞檐走壁”的奇迹，乃至荷叶“出淤泥而不染”的奥秘，这一切均源自表面间那些看似微小却威力巨大的力量。
物理学家温科莱斯将在此书中引领我们解开这些科学谜团，揭示出人类文明之所以能够取得如此辉煌的成就，在很大程度上得益于我们对表面科学的深刻理解和应用。此外，本书还精彩介绍了众多源于表面相互作用研究的实验成果与创新技术，这些成就不仅极大地丰富了人类的生活，也对科学研究产生了深远的影响。例如，受鲨鱼皮启发的速比涛泳衣，在游泳竞技中展现出卓越的性能；而基于壁虎超粘足原理研发的航天器抓持器，则为太空探索开辟了新的可能性。。
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| 關於作者： |
劳丽·温科莱斯（Laurie Winkless）
爱尔兰物理学家和作家，拥有都柏林三一学院物理学和天体物理学双学位，以及伦敦大学空间科学硕士学位。后来她加入英国国家物理实验室，成为一名研究科学家，专门研究功能材料。
劳丽现居新西兰，15年来一直致力于向公众普及科学知识。与科研机构、工程公司、大学和NASA等展开了多项合作，并为《福布斯》《连线》《经济学人》等刊物撰写文章，内容从无人驾驶汽车到石墨烯膜，无所不包。
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| 目錄：
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引言
第1章 黏与滑的奥秘
涂料
黏附
能量
滑动
第2章 壁虎的抓持力
各种观点
电荷
脚趾
偶极
水
技术
第3章 涉水破浪
游泳
测量
鲨鱼
平滑
飘浮
第4章 御风翱翔
阻力
球类
马赫
音障
设计
界面
第5章 驰骋赛道
橡胶
抓持
胎面
刹车
竞速
第6章 摇摇欲坠的岛屿
粘滞
实验室
震源
缓慢
冲击
第7章 破冰
滑冰
冰壶
冰川
结冰
第8章 人类之触
指纹
触摸
感知
盲文
触觉再现
第9章 纤毫之隙
焊接
润滑油
层
接触
延伸阅读
致谢
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| 內容試閱：
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前言
任何喜欢修理和制造东西的人或许都在互联网上见过这么一张流程图：顶部写着“它动了吗？”底部则提供了两种解决方案：“如果一个不该动的东西动了该怎么办？用胶带固定住就好了。那如果一个应该动的东西突然不动了，该怎么办？用 WD-40? （见图 1）。”长久以来，这两款产品一直被视为工具间的**品，用途广泛，使用频率极高。毫无疑问，我也是它们的爱好者之一。
几年前，刚萌生写这本书的念头时，我对这两款产品有了一些感悟。由于它们一个牢牢地粘在物体表面，另一个用于润滑物体，所以在人们的印象里，它俩好似是对立的，分别占据着黏性和滑性尺度的两端。但实际上，不管是在我们的日常生活中，还是在精确受控的实验室环境中，都不存在这样的尺度。因为“黏”和“滑”这两个词本身就模棱两可，并没有精确到彼此对立的程度。尽管这两个词被广泛使用，但对身处不同时空的人而言，它们的含义大不相同。例如，有时它们可能让人联想到口香糖、胶带和糖浆，但有时又可能让人联想到结冰的道路、WD-40 和湿瓷砖。另外，“黏”和“滑”这两个词也不是真正的材料特性，就像硬度和导热性一样。它们没有公认的科学定义，也没有可以用来量化或比较的具体指标。这些词在日常生活中随处可见，但在科学文献中很少出现，这种反差正是我决定将本书命名为Sticky的原因之一。
我想重新定位这个为人所熟知的词语，并将之应用于大量有趣的互动上：尤其是那些发生在物体表面之上和物体表面之间的、古怪而奇妙的事情。许多科学现象都发生在两个物体相互接触之时，比如空气流经曲面、两块金属制品滑过彼此，或将胶水涂在木板上。黏性虽不是可以被测量或定义的特性，但其他许多与之相关的特性是可以测量的，并且这些特性受到了整个科学界的关注。
摩擦学便是其中之一。该学科有时被描述为“搓搓洗洗”的科学，其重点是研究运动中的物体表面如何相互作用。乍一听这似乎有点小众，但我们会发现，这类相互作用就存在于我们身边，比如它们决定了冰川在岩石地貌上的运动和你电脑硬盘驱动器的呼呼声。不管致力于哪个领域，所有摩擦学学者最关心的都是摩擦，也就是平行于表面的阻力，它可以将静止的物体固定在原地（静摩擦），也可以减缓移动物体的运动（动摩擦）。
通过测量材料之间的摩擦力，并将其纳入几十年来不断发展和更新的数学模型，摩擦学家可以对物体表面获得深入而复杂的了解。这样一来，他们就可以找到控制摩擦的方法。每个有连接部件的系统，无论是工程学层面还是生物学层面，在设计时都考虑到了摩擦。比如在有些情况下，设计的目标是最大限度地增大摩擦，以便在极端条件下保持部件之间的抓持力或牵引力，但在另一些情况下，摩擦就成了敌人，使事物无从运作。无论是哪种情况，我们都不能忽视它。也因此，本书将摩擦作为贯穿每个章节的主线与核心。
从很多方面来讲，摩擦学都不是一门新科学。人类对物体表面相互作用的探索和操纵已有千年之久，而我们在很晚的时候才掌握了描述它们所需的方程和工具。关于这一点，有一个著名的例子可以在杰胡霍特普（Djehutihotep）的墓葬中找到，此人是 4000 年前上埃及一位有权势的地方长官。他那装饰华丽的墓室墙壁上绘有一幅如今被称为《运输巨像》 （Transport of the Colossus）的壁画（见图 2）。在这幅壁画中，一尊巨大的人物雕像被放置在木橇上，由一队搬运工人拖着。画中有一个人站在雕像的脚边，正将一瓶不明液体倒入木橇前方。最初人们将这一细节解读为一种纯粹的仪式行为，但后来看到这幅壁画的一些工程师怀疑，这里倾倒的液体很可能是早期的一种润滑剂，可以让沉重的木橇在沙地上更容易滑动。
2014 年，一个由丹尼尔·博恩（Daniel Bonn）教授领导的团队开始尝试解答这个问题。实验设计非常简单：他们给一个小木橇装载上重物，然后沿着混合有不同水量的沙地样本拉动它，并测量其所需的力。他们最感兴趣的度量是摩擦系数“μ”（读作“miu”）。这一比率在摩擦学研究和一般的工程与科学领域经常出现，因为它可以告诉我们两个材料表面之间相互作用的强度。1μ值越接近0，则越容易在物体表面滑动。因此，冰与钢铁之间的μ值要略低于冰与木材（它们的μ值分别为0.03和0.05），而干沥青与橡胶之间的摩擦作用比前者高出18～30 倍（μ=0.9）。这部分解释了为什么轮胎能帮助车辆待在道路上，我们将在第 5 章详细介绍这一点。通过测量木橇在越来越湿的沙地上被拉动时摩擦系数的变化，博恩可以直接评估加水对沙子“滑溜程度”的影响。
所有干沙样本的摩擦力都很大，它们的μ值一般为0.55。博恩将此归因于“在木橇真正开始移动之前就已在其前方形成的沙堆”。随着博恩不断往里加水，沙堆变得越来越小，μ 值也随之降低。在某些情况下，仅仅通过加水，木橇和沙子之间的摩擦就可以减少 40%。而一旦沙子的含水量超过 5%，摩擦增大，更难拉动木撬。研究人员得出结论，在沙漠里运输物品时，存在一个最有利于物体滑动的含水量。这背后的机制对任何一个曾经用沙子填满并翻转水桶来制作沙堡的人来说都不陌生。如果里面的沙子是干的，沙堡就会自由流动并散开。相比之下，湿沙则可以保持其形状，这要归功于沙粒间形成的水桥。如果你混合得恰到好处，水就会把材料黏合在一起，提供一个光滑、坚硬的表面，供重物在上面滑动。2014 年，博恩在接受《华盛顿邮报》采访时说：“如果这种润滑机制被用于运送巨型雕塑，这将意味着‘埃及人只需要干沙状态下一半的人力就能在湿沙上拉动……埃及人可能知道这个小妙招’。”
在润滑的世界里，水不再是主角。今天市面上有成千上万种润滑剂，其中大多以矿物油（石油）为基础。它们的用途都是减少运动物体表面之间的摩擦。无论是廉价的割草机，还是高科技的火星车，都会用到润滑剂。这些可以减少摩擦的化合物在全球有着巨大的市场，到 2020 年其经济价值已超过1500亿美元。我们会在第9章谈论一些最新的固体润滑剂。此外，我们仍可以从山体滑坡等地质过程，以及第 6 章和第 7 章中提及的地震和冰中看到水的润滑作用。但更多时候，水和许多流体一样会对表面施加摩擦力。水会拖住在其中移动的物体，使它们的速度变慢。我们可以通过流体动力学——关于运动中的液体和气体的科学来理解这种影响广泛的阻力。在第 4 章中，我们会发现每只球和每架飞机的飞行都受到了其周围空气的影响。如果你恰好喜欢游泳，那么第 3 章将为你揭示如何才能劈水而行，你将见识到一些通过将水从表面推开来减少其影响的水下技术。
然而，由于种种原因，有很多东西没有写进这本书。例如，我原本计划撰写一个章节来介绍表面科学的医学应用，内容包括凭借特制粒子实现的定向药物输送和促进细胞黏附与生长的植入物。鉴于在我写这些文字的时候（2021年1月），新冠病毒还在以一种可以通过空气和物体表面传播的形式影响着地球上每个人的生活。但考虑到实际情况，对于这样一个庞大主题，我已经没有多余的时间来写它，这一遗漏令人遗憾。其他章节的重点也都有些许调整。第 2 章原本要探讨的是动物利用表面科学来导航和控制周围环境的众多方法，蜘蛛、海胆和鲨鱼都在候选名单上，结果这一章现在只聚焦于一种动物——壁虎。在研究这种爬行纲蜥蜴目动物的过程中，我被它迷住了：这种动物的攀爬能力背后隐藏的机制令人震撼，许多技术的诞生都受其启发。本书还列举了自然界中的其他例子。在第 8 章中，我将从物理学家的视角来审视我们的触觉，以及它在人类社会中所发挥的作用。最后（或者也可以说“首先”），第 1 章是对所有黏性事物的介绍，包括对一些我经常被问到的滑溜产品工作原理的描述。
从本质上讲，这是一本关于各种材料及其表面受力情况的书。自2007年以来，我一直对这个话题很感兴趣。当时我参与了这样一个项目：研究如何利用带有图案的表面来控制摩擦和流体流动，并以此为基础开展了包括防水材料在内的一系列研究。后来，当我写《科学与城市》（Science and the City）一书时，此类关于物体表面相互作用的话题时常闪现在我的脑海中，从铁轨上树叶的滑性到轮胎对道路的抓力。与我们对摩擦的了解和关注相比，它对现代世界的重要性简直大到不可思议。也就是在那时，我有了撰写此书的想法。当我开始从“物体的表面”看问题时，我就停不下来了，最终的成果就是这本书。
我并不打算在这本书中事无巨细地探索物体表面的相互作用，也不想把它写成一本物理学教科书、一本关于摩擦的数学专著，或者是一个对市场上最好胶水的深入调查报告。如果你需要那种知识，我很乐意为你推荐其他参考资料。在本书中，你将会看到我最喜欢的一些例证，它们可以说明作用在材料表面的力如何塑造了我们身边的世界。由于这些力的影响跨越了各个科学领域，所以我们的旅程中可能会出现一些意外的转折。我认为（也希望）所有人都能在这本书中找到自己想要的东西。在研究这些课题的过程中，我有幸与来自科学界和社会其他各界的许多杰出人士交流。他们都是各自领域的专家，慷慨地抽出时间与我交谈，并分
享他们的知识。我对他们的感激之情难以言表，我非常乐意为你介绍他们每个人。
那么，接下来何不换上舒适的衣服，烧壶热水，泡杯茶，听我讲讲这些故事。
第2章 壁虎的抓持力
2014 年，在柬埔寨一家酒店的阳台上，我第一次见到壁虎。在闷热的天气中忙碌了一天后，我从一个小摊上买了些食物和冰镇啤酒。回到房间后，我一边俯瞰暹粒的繁华街道，一边享用美食。很快，我意识到自己不是孤身一人——一只大约 25 厘米长、身上带有橙色斑点的浅灰色蜥蜴一动不动地贴在我身后的粗糙墙面上。在谷歌上疯狂搜索了一番后，我确定它是一只大壁虎（Gekko gecko），对人类无害。于是我放心地坐了下来，享受着它的陪伴。在一个小时里，我的这位“阳台伙伴”以惊人的速度在墙壁上爬来爬去，或者横穿瓷砖地板。有一次，为了捉一只巨大的蜘蛛，它在露台的玻璃表面上窜来窜去。当我上床睡觉时，它在粉刷过的天花板上安顿了下来。
我知道壁虎是出了名的攀爬高手，但那天晚上让我惊叹的是这种壁虎的适应能力。不管是光滑的还是粗糙的，抑或是粉刷过的或“天然的”，任何表面对它来说似乎都不具备挑战性，而人类就连在结冰的街道上行走都很困难（你会在第 7 章中找到原因）。如果没有专门设备，人类也无法攀登陡坡。
几千年来，壁虎几乎能附着在任何表面的能力一直吸引着哲学家和科学家，自19世纪以来，对这种能力的研究经常出现在科学期刊上。壁虎的神秘感以及它的天才能力很大一部分源自这样一个事实：它的脚并不像你以为的是黏糊糊的。它们摸起来是干的，而且与上一章的黏合剂不同，它们不会留下任何胶状的残留物。壁虎能黏却不黏。直到最近几十年，科学家才终于搞清楚它们是如何做到的。在这条漫长的发现之路上，很多想法都被抛弃了。然而，尽管其中几个已经被推翻，但似乎还在流传。因此，让我们一起来揭示真相吧。
各种观点
如果你看一下壁虎的脚底，你首先会注意到的一件事是，它的脚趾上覆盖着平坦的、层叠的、鳞状的脊。它们被称为皮褶，至少一个世纪以来，它们被认为是壁虎黏附的主要手段。动物学家约翰·瓦格勒（Johann Wagler）在1830年出版的一本书中指出，皮褶起到了吸盘的作用。这个观点在当时得到了广泛支持，而且你可以理解为什么。人们当时已经了解到，有几种海洋生物利用吸盘附着在岩石的表面，而人类至少从公元前 3000 年就开始使用吸管喝饮料了。大家都很了解抽吸的力量，于是就有了我们今天所知的与实用橡胶吸盘相关的多项专利。
像壁虎的脚一样，基于吸力的设备可以在不使用黏性物质的情况下黏附。在理想条件下，它们还可以支撑相当大的重量。问问“摩天大厦人”丹·古德温（Dan Goodwin）就知道了，他从 1981 年起开始使用吸盘攀登高楼。当你把吸盘按在物体表面时，一小股空气会从侧面排出，然后柔软的橡胶材料形成密封的空间。这在橡胶器皿内部形成了一个低气压区——部分真空，而外部有正常的大气压力。外部空气分子的重量对器皿表面施加了一个力，但由于内部空气分子少得多，所以它们的反作用力要小得多。最终结果是，橡胶器皿被牢牢地固定在物体表面，只要密封圈保持紧闭，它就会一直待在那里。皮褶也以同样的方式起作用吗？
在这个观点首次发表一个世纪后，科学家沃尔夫 - 迪特里希·德利特 （Wolf-Dietrich Dellit）开始对其进行验证。他的假设是，如果壁虎的脚真的是通过吸力附着在物体表面，那么它们应该就像标准吸盘一样，在较低气压下效果较差。在纳粹时代的德国，部分科学家对动物福利的考虑十分欠缺，比如德利特将活的大壁虎放入一个真空室，然后慢慢地抽出空气。与吸
盘不同的是，壁虎的脚一直粘在室壁上，直至它死去，即使气压已经低到几乎难以察觉的真空级别。这是一个令人信服的实验结果（尽管是悲剧性的）。
2000 年，凯勒·奥特姆（Kellar Autumn）教授研究壁虎的黏附力已经有数年，他领导的小组成功地量化了壁虎的脚和光滑表面之间黏附力的强度，这一吸力假说受到了短暂的重新审视。结果显示，它比吸力所能达到的强度要高很多倍，因此，这一特定想法被永远地拒之门外。
另一个流行理论出现在 20 世纪上半叶，是随着光学显微镜设计的改进而产生的。研究人员意识到，壁虎脚趾上的皮褶并不光滑，而是覆盖着细小、密集的毛——他们称之为“刚毛”。由于这些刚毛看起来都是略微弯曲的，并且以相同的角度排列，所以人们想知道它们是否像小钩子一样发挥作用，让壁虎能够抓住不规则的表面。这种“登山者的靴子”假设（刚毛就像攀岩鞋底钉的微观版本），现在被称为“微互锁”，并且事实再次证明，它相当受欢迎。有人还提出了与此相关的想法，涉及静摩擦。所有刚毛都极大地增加了皮褶和表面之间的接触面积，所以这说不定会增大摩擦，帮助壁虎攀附物体表面。
事实证明，这两种观点的验证相对容易。如果刚毛真的是微型钩子，你就该期望壁虎会牢靠地附着在粗糙的表面，而不是光滑的表面。几个研究小组的实验表明，在光滑到其最大的“不平之处”只有几个原子大小的表面，壁虎仍然可以攀附，而且在大多数情况下，它们对光滑表面的黏附力比对粗糙表面的更强。这样微型钩子的说法就被淘汰出局了。如果静摩擦是起因，那么一只试图穿越天花板的壁虎基本上会立即掉下来。但在野外的观察表明，壁虎有很多时间是倒挂着的，而且凯勒·奥特姆曾在波特兰跟我通电话说：“大壁虎的抓力非常强，在它的四只脚都接触到天花板的情况下，它可以支撑30多千克的重量。”在实验室里，人们也观察到壁虎在传统的“低摩擦”表面上行走，比如硅。这样一来，摩擦的说法也被淘汰出局了（目前）。
但如果壁虎惊人的攀爬能力不是靠吸力、摩擦或者“微互锁”，我们还有什么选项呢？
电荷
前面提到的德利特还有另一种观点——壁虎可能利用静电引力黏附。当你将两种不同材料相互接触时，奇怪的事情就发生了：两种材料的表面都带电，一个是正电，一个是负电，这是因为电子会从一个表面大规模地移动到另一个表面。结果是，这些材料变得相互吸引。这与你将气球在头发上用力摩擦后可以粘在墙上的机制完全相同，也是羊毛衫和聚酯纤维衬衫之间产生可怕的噼里啪啦静电的原因。德利特推断，如果他能消除这种电荷的积累，他就能检验壁虎是否真的通过静电黏附。因此，他用X射线剥离了一个密室内空气分子中的电荷，以抵消静电效应，而这无疑超过了里面活壁虎的X射线安全剂量，从而增加了他的恶名。尽管遭受了这种重创，壁虎还是紧抓不放，这让德利特得出结论：静电并不是壁虎成为超级攀登者的原因。
但是这个假说从未完全消失。2014年，滑铁卢大学的研究人员开展了一系列实验，以检验这些电荷对壁虎的黏附起到了什么作用（如果有的话）。 该研究小组找来5只大壁虎样本，将它们的脚放在涂有两种聚合物之一的超光滑垂直表面上。当壁虎脚垫与每种材料接触时，都可以观测到电荷的积累——脚垫上有正电荷，而聚合物上有负电荷。他们还测量了在每种材料上拖动脚所需的力。表面电荷的密度越高，壁虎的脚似乎粘得越紧，于是研究人员得出结论：“静电相互作用……决定了壁虎黏附力的强度。”
“这个实验很有趣，但我就是无法接受他们的观点，”当我问及这篇论文的意义时，奥特姆说，“一旦你开始使用整只动物做实验，而不是单独的刚毛，你就很难将彼此的影响区分开来，这就使准确解释发生了什么变得很棘手。” 虽然奥特姆不认同研究小组的结论，即静电力主导了壁虎的抓持力，但他承认，当面对特别光滑的表面时，静电力可能是壁虎需要借助的额外力量。对于这一点，包括维拉诺瓦大学助理教授阿莉莎·斯塔克（Alyssa Stark）在内的其他壁虎专家都表示赞同。“似乎有很多因素在同时发挥作用，”她说，“尽管大多数团队都认同壁虎利用的主导性力量，但从我们的研究来看，我不能说它是唯一起作用的力量。静电完全有可能也发挥了作用。”
壁虎黏附力问题的复杂性部分源于这样一个事实：并非所有壁虎都一样，至少在黏附能力方面有高有低。虽然我们认为它们是热带动物，但壁虎科的1000多个成员已经证明它们拥有令人难以置信的适应能力，能够占据各种各样的栖息地。例如，其中最著名的黑眼壁虎（Mokopirirakau kahutarae）生活在新西兰南岛的高山上，而带斑壁虎（Coleonyx variegatus）出没于美国一些干旱的沙漠中。因此，每一种壁虎都是独一无二的。为了生存，它们被迫适应了周围的环境。斯塔克告诉我，这种多样性使我们很难为壁虎写出放之四海而皆准的规则。“许多种类有爪子，但有些没有。有些种类只有3个能用的脚趾，而通常情况下是5个。然后是脚趾大小和形状的巨大差异——差异的清单可能相当长。”
但在这些差异中，似乎有一种机制是大多数壁虎都遵循的，就是紧抓不放。是的，我们终于讲到“是什么让壁虎能够紧紧黏附”这一问题了。
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