快樂的轉圈圈 我喜歡去了解事物運作的道理. 就這樣選擇了科學研究的這條路. 在這個浩瀚的領域, 常常覺得自己渺小. 但有時讓我徹頭徹尾的找出問題的答案, 能小小的得意一下, 如爬上一個知識的小山, 享受附近的景緻, 一目了然. 這樣的感動一直驅策著我持續走這條路. 走這條路的女生不多, 我一路走來也是跌跌撞撞, 也有得意時. 常常科學報告裡看不到這些掙扎的痕跡, 我想紀錄科學外也紀錄背後的生活吧.

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上課終於上的比較得心應手了, 上週教高分子, 自覺得準備的還不錯, 只是表達上還是很緊張, 自己講課的台風還需要訓練. 課堂一開始我就從橡皮當切入點, 早在兩千五百年前瑪雅人就發現從橡膠樹取出來的橡膠加上酸液, 就會固化, 用這樣來做橡膠鞋. 只是這種橡膠些隨著時間會越來越硬, 到最後脆烈, 原因是這裡橡膠是靠氧化來 crosslink 橡膠裡的高分子, 這氧化反應不會停止, 橡膠過度 crosslinked 就變得 brittle 了. 一直到 1839 年, Charles Goodyear 發現把橡膠丟到含硫的熱液煮, 也會產生橡皮, 並且這彈性能維持很久. 這個技術改變了做輪子的技術 (He did reinvent the wheel!) 後來固特異公司就是紀念他而命名的.

我接下來就跟學生解釋橡皮是高分子所構成的, 高分子可以想成是細細長長的麵線, 只是這麵線會有熱運動, 所線一直彎來動去,要描述這樣的高分子有幾個比較重要的模型 -- Random Walk, self-avoiding walk, 和 worm-like chain. 在不同的情況下, 用不同的模型. 從這微觀的模型, 可以得到一個很重要的概念, 這些高分子被拉長時, 是有彈性的, 並且彈性的來源是謪(entropy) -- 也就是高分子喜歡到處亂動的這個趨勢, 所以拉長時, 限制了他能亂動空間的可能性. 所以這種彈簧和我們一般所熟知的彈簧很不同, 一般彈簧是靠分子和分子之間的鍵結力, 所以溫度上升時, 一般彈簧的彈性下降, 但謪彈簧(entropic spring)的彈性上升.

最後回到橡皮的彈性, 所以如果我們微觀的來看橡皮, 組成橡皮的高分子在某些地方被打結(crosslinked), 但沒打結的地方, 其實還是動來動去像個 random coil, 是個 entropic spring. 假設巨觀上拉長的形變在微觀上也是成比例的形變, 橡皮的彈性就是這些小謪彈簧的加總. 也就是說橡皮彈性也是隨著溫度上升而上升, 溫度下降而下降.

最後我舉個挑戰者爆炸的事件來說明這個彈性隨溫度下降而下降的重要性. 因為 NASA 工程師輕忽這個保持真空密合 O-ring 在高空低溫會失效的事實, 造成 6 名太空人死亡, 大筆金錢損失, 太空科技的停止. 並引述查出挑戰者號失事的諾貝爾獎得主費曼(Richard Feynman)在電視記者會講的一句話, ”For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.”

我希望這門課學生不只學到橡皮彈性的物理, 也記住費曼的話, 將來這些學生很有可能是工程師或科學家, 他們要記住對觀察到的事件誠實, 因為自然是不會被欺騙的.