神奇的高分子：高分子材料的流動性與彈性
101/08/09
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童世煌｜
臺灣大學高分子科學與工程學研究所
物質是由分子組成的，自然界或人工合成的分子有一大部分主要由碳、氫、氧等原子鍵結而成，這類分子所形成的物質通稱為「有機物」。絕大部分高分子也是有機物，一般人聽到高分子這個名詞可能會覺得「高」深莫測，其實高分子的「高」指的是「大」。簡單地說，高分子就是大分子。高分子是經由化學反應把數百個以上的小分子一個個串起來所形成的巨大分子，因為大部分是長鏈狀，通常稱為「高分子鏈」，我們可以把高分子鏈想像成細長捲曲的麵條狀。
高分子在日常生活中隨處可見，現代社會經常使用的塑膠材料是高分子，是人工合成的高分子。生物體內的蛋白質、多醣體、去氧核醣核酸都是高分子，稱為「生物高分子」。
物質的狀態
相較於小分子的分子量約數十到數百，高分子的分子量是數萬甚至數百萬，分子量大小直接影響的就是物質的狀態。例如，經常使用的塑膠袋是一種叫聚乙烯的高分子，分子量約數萬。顧名思義，聚乙烯是由乙烯這種小分子聚合而成，而乙烯卻是一種氣體。
透過化學反應把乙烯這種小分子一個個接起來，5個左右的乙烯接在一起是汽油或煤油的成分，是一種液體。當數千個乙烯接在一起，就是固態的聚乙烯。雖然組成的原子都是碳與氫，卻可以讓物質的狀態由氣態變成液態再到固態，物質的機械性質也隨之提高。若把數十萬個乙烯結合在一起，這種超高分子量的聚乙烯甚至可以做為防彈材料。
為什麼從小分子變成高分子後，會由氣態變固態？在回答這個問題之前，我們先了解物質為什麼有氣態、液態及固態的差別。分子與分子間有吸引力，在有機物中最基本的吸引力是凡得瓦力。分子本身同時具有熱能，溫度越高熱能越高，這個能量讓分子不停地運動，想要脫離吸引力。物質的狀態基本上是這兩股力量競爭的結果。
氣態分子因為分子間的吸引力遠較熱能弱，無法牽制住分子，所以分子不斷地快速移動，分子間的距離得以拉大而稀疏。這也是我們看不到也摸不著氣體的原因。
在液體中，分子間的吸引力變強了，但還不足以完全限制分子的移動。我們看桌上的一杯水會覺得水是靜止的，如果在水中放入一個微小顆粒，會發現這個顆粒不斷地改變位置，這是水分子的運動推動顆粒所造成的，稱為「布朗運動」。這說明了液態分子並不是靜止的，只是動得沒氣體分子快而已。我們經常稱氣體與液體為流體，它們受力後會流動，就是因為氣體與液體分子具有可移動的特性。
在固體中，分子間的吸引力強過熱能，彼此吸引的結果限制了分子的運動，分子基本上只能做振動或轉動等非常小程度的運動，無法像流體分子一般自由地改變位置，因此固體能維持固定形狀。水蒸氣隨著溫度下降凝結成液態水再結成冰，主要就是分子運動能力隨溫度下降，逐漸小於吸引力的效應所致。
回頭來看氣態小分子變固態高分子的問題，這與分子的尺寸有關。越大的分子凡得瓦力越強，而運動能力越低。在室溫時，小分子間的吸引力弱而運動能力強，分子不受約束，形成密度極低的氣態，例如乙烯氣體。高分子鏈則因尺寸大，鏈與鏈間的吸引力強，又不容易運動，因此傾向聚在一塊，在室溫下大部分是高密度的固態，如我們使用的塑膠材料。分子尺寸介於小分子與高分子間則呈現液態，例如汽油或煤油。
分子運動與物理性質
同樣是液體，有些流動快，有些流動慢，如水流得比沙拉油快很多，這是因為分子運動的速率有快慢之別，水分子體積小移動快，而沙拉油分子較大，移動較緩慢。同樣地，低溫液體流動緩而高溫的流動快，是因為高溫時分子有較高的熱能幫助運動。
我們很容易分辨出水與沙拉油是液體，但有些東西並不是那麼容易界定，譬如水與麵粉混合而成的麵團。把麵團捏成球狀放在桌緣，一開始似乎可以維持球狀，但過了一段長時間後，麵團受到重力的影響沿著桌側流下。如果有兩個人觀察這個麵團，一個人只觀察5分鐘，另一個人觀察了5小時，觀察5分鐘的人會說麵團是一種固體，因為它不會流動，觀察5小時的人則會指出麵團是一種流體，因為他的確看到麵團在流動。
這兩個人哪一個是對的？其實兩個都沒有錯。他們的結論會不同，在於麵團裡的分子運動得極為緩慢，短時間內分子還來不及做大規模的移動，因此麵團形狀沒有太大的改變，看起來像固體。一旦時間拉長，分子有足夠的時間移動，便可察覺形狀隨時間的改變，看起來就像流體。
黏彈體
上面這個例子說明了一個很重要的觀念—物質的狀態與性質跟時間有關，並不是那麼絕對。舉些較極端的例子，在寒帶地區的冰川是由冰塊堆積而成，冰塊想當然爾是固體，站在壯麗的冰川旁會覺得裡面的冰是靜止的。其實冰川每年受重力影響會移動數公尺以上，它會流動，只是流動的距離是以年為時間單位。
又如炎炎夏日裡，在游泳池戲水時感覺水輕輕柔柔的，但從高處往水面跳，如果姿勢不正確，卻很容易造成疼痛甚至傷害。同樣的水，為什麼有如此大的差異？
輕撥水時，水分子有充足的時間運動，因此感覺水是柔軟的。而跳水時身體以高速衝擊水面，與水接觸的瞬間，水分子沒有充足的時間運動來轉移大部分身體的動能，這時的水感覺起來就比較「硬」，就好像撞到一個不太會動的東西，衝擊力道會回饋到自己身上一樣。理論上，如果速度快到水分子來不及運動，水會表現得如固體一般，不過這種情況不容易發生，因為水分子的運動速率太高了。
相形之下，要讓麵團變「硬」就不是那麼難，因為麵糊裡的分子動得很慢。麵團裡含有一種叫做「麩質」的蛋白質，蛋白質是由胺基酸這種小分子聚合而成的高分子。麵粉本身是固體，因為裡面的蛋白質分子鏈原本相互吸引不能動，但與水混合形成麵團後，蛋白質分子鏈四周被容易運動的水分子包圍，高分子鏈便可藉由這些水分子移動。
只是這種長鏈狀的分子十分巨大，要動起來原本就不容易，再加上這些鏈狀的分子還會相互糾纏，更造成移動上的限制。如此緩慢的分子運動，讓麵團看起來非常黏稠，似流非流，把麵團拿在手上把玩是滑滑軟軟的，但如果被一顆麵團砸到，瞬間的撞擊恐怕會非常痛。
這種性質隨觀察時間改變的特性，是高濃度高分子溶液（高分子與溶劑的混合物，例如麩質與水的混合物）的共通點，這類物質有個專門名詞—黏彈體。「黏」性是液體性質，「彈」性是固體性質，表示這類物質介於液、固體間，隨著時間的差異展現明顯不同的性質。
軟性固體
我們再來看看一種有趣的物質—果凍。果凍的做法是在水中加入少量明膠粉，加熱使明膠溶解，降溫後水便整個凍結起來。果凍可以維持形狀，壓它會變形，放開便彈回原狀，是典型的固體彈性性質。令人好奇的是，果凍裡面明明大部分是水，為什麼在室溫下是固體？
其實明膠也是一種蛋白質，在水中加熱溶解後分子鏈伸展開來，降溫後分子鏈間除了上述所提到的糾纏外，還會產生交聯點。不同於糾纏點只會減緩分子運動，這些交聯點是把分子鏈固定住。換句話說，明膠分子無法整條鏈一起移動，水分子這時就像被鎖在一個由高分子所形成的網狀結構中，整個果凍因此無法流動而呈現固體性質。
果凍雖然可以歸類為固體，但因為大部分是水，它其實是很軟的，受到擠壓容易變形。變形時，整條鏈受限於交聯點不會滑移，但交聯點間原本捲曲的分子鏈受力後被拉直，一旦拉力消失，分子鏈便可以像彈簧一樣「彈回」原來的捲曲狀態。不過，高分子鏈與彈簧產生彈性的原因並不相同，只是現象類似而已。
果凍這類軟性固體正式的名稱是「凝膠」，凝膠在生物體內隨處可見，細胞質、細胞外間質都是這類物質。我們的皮膚或肌肉都含水，摸起來是軟的，不會流動，有彈性，是不是跟果凍的性質非常類似？當然，生物組織在細部構造上複雜許多，但基本原理是一致的。也因為凝膠與許多生物組織有類似的性質，已被廣泛運用在生醫科技中，如組織工程、藥物釋放、創傷治療等。
最後來談談生活中經常使用的橡膠。橡膠與果凍一樣軟且具彈性，不同的是橡膠不含水或溶劑，而且有更大的伸縮量，譬如橡皮筋可以拉到比原來大好幾倍的長度還不會斷裂，且能恢復原狀。
橡膠主要的成分是一種非常柔軟的高分子叫「聚異戊二烯」（polyisoprene），這種高分子鏈在室溫下不需加入溶劑就能緩慢移動，如果不做任何處理，橡膠的性質會跟上述麵團類似，是一種黏彈體。為了讓橡膠更具彈性，通常在橡膠中加入硫磺，讓橡膠分子交聯形成非常牢固的網狀結構。橡膠分子便是靠著這些穩定的交聯點維持形狀，並藉由交聯點間鏈段的拉伸與恢復產生高度的彈性。
橡膠的彈性隨著溫度下降而漸漸消失，因為溫度下降到一定程度後，交聯點間鏈段凍結無法伸展，橡膠便失去彈性。美國「挑戰者號」太空梭於1986年升空時爆炸，就是因為保持真空密合的橡膠環在高空低溫時失效所致。一個小環節的出錯，造成7名太空人與大量金錢的損失，可見材料性質的精確掌握在應用上有多重要。
生活中不管是吃的、用的、穿的、住的都少不了高分子，它以不同的狀態存在，可以是液態，可以是固態，也可以是介於兩者之間。這些狀態取決於分子鏈運動的快慢，而分子鏈的運動會隨著溫度、高分子的種類而改變。
我們可以把高分子抽成高強度或高彈性的纖維紡成布料，可以利用高分子的添加調配出果汁、果醬、果凍等不同口感的食品，也可以依據使用上的方便，製造出洗面乳或洗面凝膠等不同流動性的民生消費品，當然還有更多高科技的應用。了解高分子材料的性質與分子運動間的關係，可以幫助我們創造出更先進，符合需求的產品，讓生活更加便利。
