《BBC知識》乾燥紙張有多強韌?

乾燥的紙張強韌到令人咋舌:一張A4紙就能吊掛起大約60公斤重的物體。

作者|海倫‧澤爾斯基(Helen Czerski) 譯者|林東翰

紙袋真是棒呆了。它們會起皺、揉搓會發出沙沙聲,而且把蘋果裝在樹木的一部分裡頭帶著走,感覺很不賴!不過只有一件事會毀掉我對紙袋的完美印象:下雨。原本質地輕脆的好用紙袋會像海綿一樣被雨水浸透,在你查覺之前,袋子裡鮮脆漂亮的蘋果已悄悄溜過人行道、滾到最近的汽車底下,被壓碎成泥巴蘋果泥。不管是紙袋還是蘋果,都落得悲慘的下場。

但為什麼會發生這樣的慘案呢?怎麼會有東西在乾燥時強韌得無可挑剔,溼掉時卻變成軟爛的一攤碎片?

紙張的主要成分是纖維素,而纖維素是來自植物的細胞壁。植物細胞利用纖維素做為強化結構的鷹架,保護較柔軟的內裡。纖維素本身不過是由長鏈醣類所組成,長鏈內的每個鏈結單元就是一個葡萄糖。從木頭萃取出來的纖維素,在顯微鏡底下看起來就像一盤義大利麵。接下來只要把它壓平乾燥,就能製成紙張了。

不用膠水、沒有補強措施,就只有一些彼此沒有連結的分子互相纏繞在一塊兒而已。而且,瞧瞧現在馬路上的那攤蘋果泥,你恐怕會覺得袋子的製作原料似乎有更好的選擇才是。所以我們也許不該問它為何現在這麼脆弱,而是要問:為什麼它在弄溼前能這麼強韌?

紙張乾燥的時候,強韌程度令人咋舌:如果小心點操作的話,一張A4紙就能吊掛起大約60公斤重的物體而不會破掉。這樣的強度可是不容小覷的。把紙張纖維聚在一起的力量,和把水分子聚在一起的力是一樣的,也就是氫鍵。纖維素長鏈有許多分支岔出,每個分支由一個氧原子和一個氫原子組成。氧的部分傾向帶負電,氫的部分則傾向帶正電。纖維素長鏈互相接觸時,一條長鏈裡帶正電的部分會吸引其他長鏈中帶負電的部分,所以這些長鏈分子就形成了相互連結的網絡。你的紙袋能夠保持完整強韌,全是靠這種氫、氧之間的吸引力,而正因為這些氫鍵的力量強得出奇,才能發揮這樣的支撐效用。

加了水以後,麻煩就來了。這是因為水分子裡面也有氫和氧原子,而水分子彼此之間也用相同的方式鍵結,所以它們可以溜進纖維素長鏈之間。水分子會圍住長鏈分子,把它們彼此拆散,使纖維膨脹15至20%。當纖維素分子彼此分離之後,就不再互相接觸,原本強韌的連結被打斷,這些纖維素長鏈就只能自由滑動,於是乎,蘋果就等著滾落地面了。但如果紙袋溼了之後,你把它放乾,而且在它乾燥前不要拉扯它,那麼強大的氫鍵就會回復,紙張也會如溼掉之前一樣強韌。

所以普通紙袋的構造並非恆久不變。比較貴的紙袋就加了些添加劑,能用不同方式連結纖維素,即使打溼了也能維持強韌度。不過小雜貨店用的紙袋就只是一團纏在一起的分子,水滴上去的時候,那些細微的纖維素長鏈就轉變了,這轉變正好足以改變紙張的強度。這些纖維素分子太小了,所以你沒辦法用肉眼看出滴水下去對它們來說發生了什麼事,但是這效應在現實生活中所引發的慘案,你肯定會注意到。

我從這故事學到的教訓是:下次我要出門買蘋果的時候,會先等到雨停了再說。

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海倫‧澤爾斯基博士/物理學家、海洋學家,以及BBC科學節目主持人,主持的節目包括《冰山計畫》(Operation Iceberg)和《軌道》(Orbit)。
譯者林東翰/繁體中文版《劍橋插圖天文史》整稿、審訂,專事科普編譯工作。

●本文選自《BBC知識國際中文版》第21期(2013年5月號)〈Discoveries〉單元。版權所有,轉載請註明出處。

責任編輯:Nita Hsu

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