液體的拉絲現象

詩名: 無 題
作者: 李 商 隱 　　 詩體: 七 言 律 詩 詩文: 　( 押 先 韻 )

春蠶到死絲方盡－談液體的拉絲現象

相見時難別亦難，東風無力百花殘。
春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始乾。
曉鏡但愁雲鬢改，夜吟應覺月光寒。
蓮山此去無多路，青鳥殷勤為探看。

這首篇名"無題"的著名七言律詩，是唐代詩人李商隱(約公元813一858)所作。因早已燴炙人口，所以被選入包括《唐詩三百首》在內的各種唐詩選本之中。
"春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始乾"是這首無題中最有名的兩句。後人常用來贊美忠貞不渝的愛情，歌頌心目中的英雄人物和人類靈魂工程師那種"鞠躬盡瘁，死而後己"的高尚精神。當您使用"春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始乾"時，可曾想到，在這名句之中，也蘊含著十分有趣的力學現象。

我國著名文學家周汝昌先生對這一名句曾作過精彩的注釋:"春蠶自縛，滿腹情絲，生為盡吐;吐之既盡，命亦隨亡。絳蠟自煎，一腔熱淚，爇而長流;流之既乾，身亦成燼。有此癡情苦意，幾於九死未悔，方能出此驚人奇語。"並稱此詩句有"驚風雨的境界，泣鬼神的力量。對於如此精美的解釋，筆者不敢妄加評論，但從力學的觀點可以提出這樣的問題:蠶絲究竟是怎樣形成的，是"吐"出來的嗎?蠟燭在燃燒的時候為什麼總要"流淚"?

我們先來討論蠶絲是怎樣形成的。蠶卵孵化成蟻蠶後，在25-30天內經5個齡期，脫4次皮，發育成5齡蠶。5齡蠶食桑6-8天後停止食桑，皮膚透明，成為熟蠶。這時蠶腹的絲腺內充滿了由於化學反應形成的粘液體--蠶絲的原料(右圖)，亦稱為絲液。讓我們仔細觀察一下蠶出絲的動作。蠶把嘴裡的絲液粘到某物體上(絲液中的絲膠起著"粘"的作用)，然後蠶的頭按照8字形左右搖擺，搖晃著把絲液拉成絲線，靠絲線表面上剩留的絲膠將絲線粘到繭的內側，這樣慢慢地作成了繭。有人做了這樣的試驗，讓一個粘著絲液的物體也隨著蠶的腦袋一起擺動，那麼從蠶嘴裡就"吐"不出絲線來了。也就是說，如果蠶的腦袋不擺動，絲線就不會"吐出來"。而如果拿住線頭抽拉，就可以連續不斷地拉出絲線來;如果你用剪刀將絲剪斷，蠶就難以再繼續拉絲了，於是它的頭就在空中搖晃著，想再我一個拴線的地方拉絲。這個試驗說明，蠶絲不是"吐"出來的，而是"拉"出來的。

養蠶的農家兒童常捉蠶來玩。捉一條又肥又大的即將作繭的蠶，捏住它的頭尾，猛地一下左右拉開，這時頭尾分離了，而從蠶腹中卻拉出一條直徑約1毫米、長約30釐米的透明結實的絲線。如果慢慢地拉就不行了，蠶體被拉斷後，其體液滴滴咯咯地流出來，什麼也得不到。為什麼快拉就能成絲，慢拉就是液體流出來呢?現代科學的研究表明，蠶絲是通過力的作用由絲液拉成的，這個現象叫做"牽引凝固"。絲液的主要成分是絲蛋白，絲蛋白的鏈狀分子是線團狀態。絲液是粘性液體，它的線團狀分子呈圓球狀，當你慢慢拉伸時，圓球分子之間只有滑動，沒有其他變化，所以整個液體只是流動。當你快速拉伸時，各個分子還來不及流動就被押開了。被拉開的絲蛋白鏈狀分子有了新的排列，產生了變異，相互靠近的分子之間產生了很強的結合力。這種絲蛋白分子之間的"結合力"雖然比原子之間的作用力弱，但是長鏈的各鏈節之間卻有很強的結合，所以形成了整體上很結實的蠶絲。

蠶腹的絲液直接用手去拉，只能拉成像釣魚線那樣粗的絲線，但如果藉助於蠶的嘴就能拉成纖細而漂亮的絲線，其直徑可以細到0.002毫米，長度可達1200米左右。蠶的嘴是由"角質蛋白"形成的，嘴巴上有一個"調節口"，當絲液經過它時，可對流量進行適當的調節。

由上所述，我們可以得出如下結論:蠶腹中的膠狀絲液，形成結實而又漂亮的蠶絲的主要條件是拉力。蠶絲不是從蠶嘴裡"吐"出來的，而是通過嘴巴的流量調節用力拉出來的。這就糾正了根據頭腦中的"常識"而提出的、沒有可靠的實驗根據的桑蠶"吐"絲的傳統看法。其實李商隱的詩並沒有說蠶絲是怎麼出來的，"吐"絲只是後來一些人的不恰當解釋而已。

在現代化學纖維工業中，人們正在模仿蠶所做的工作，用"拉伸"的辦法制造尼龍和滌綸等合成纖維。只是在開始做成絲狀時，先要對液體施加很大的壓力，便從一個小孔中擠壓出來，再去拉伸。如何又快又好地拉出絲來，正是流變學中"拉絲流動"所研究的內容。實際上，我們現在還比不上蠶，還不能像蠶那樣只靠拉牽就能制出漂亮而結實的絲線來。蠶這個小生物身上還有許多問題有待我們去研究和探索。

除了桑蠶(平常所講的蠶就是指它)之外，柞蠶、蓖麻蠶、木薯蠶、樟蠶、柳蠶和天蠶等也都不是吐絲，而是拉絲的。蜘蛛結網也是這樣，它肚子裡有"蛛絲液"，從腹部末端(而不是從頭部嘴裡)拉出絲來，但蜘蛛拉出的絲不如蠶絲那麼結實。蜘蛛網有兩種絲，一種是指向外面的，它較結實而光滑;另一種是一圈一圈的，它很有彈性，並且布滿粘液珠。據說，在一個好的蜘蛛網上有25萬個以上的粘液珠，以用來粘住飛蟲供蜘蛛飽餐。宋代詩人範成大(1120-1193)在"四時田園雜興"詩中所寫"靜看檐蛛結網低，無端妨礙小蟲飛"正是這一情況的生動描述。還有一種結草蟲，也可以拉出幾乎與蠶絲結實程度不相上下的絲，它的"巢殼"外表有樹葉和小枝纏掛著，"巢殼"的內側像蠶繭一樣結實，用手指都不易戳破它。

由科學家研究得知，蜘蛛絲和鋼絲一樣堅硬，卻又比鋼絲富有彈性;還特別耐寒，在-50。C到-60。C的低溫下才會變脆發生斷裂，而一般聚合物在零下十幾攝氏度就會變脆。利用蛛絲的這些特性，若以它為原料制作防彈服裝、降落傘等軍需物資，則在冬季使用有極佳的性能。據《世界知識》1994年第13期報道，美軍正責成有關部門飼養能產堅韌的金黃色蛛絲的巴拿馬蜘蛛。這種蜘蛛個大體胖，是一般蜘蛛的十幾倍。採集者從蜘蛛腹中引出蛛絲，用鑷子夾住末端，將其繞到裝有小型電動機的紡鎚上，紡綞輕巧地轉動，蛛絲也就唾手可得。一般每次可提取蛛絲3-5毫克，每段絲長可達320米。最令人吃驚的是，抽絲對蜘蛛並無傷害，每天都可提取。

只要稍加注意就可以看到，日常生活中有不少液體也是能拉絲的，比如敲開雞蛋後將蛋黃取走所留下的蛋清。蛋清是攪動一下後能彈縮回來的液體，也是一種向上挑能拉絲的液體。可以用筷子插入向上挑一下試試看。當向上挑的速度很慢時，蛋清像液體一樣流了下來，不拉絲;當向上挑的動作很快時，蛋清不粘筷子，也不拉絲;可是當向上挑的速度適當時，蛋清就拉絲了。當蛋清拉的絲斷了的時候，還可看到在斷開的一瞬間，會像橡皮條那樣稍有收縮(右圖)。用筷子挑山藥汁，以及嬰兒流的口水情況也都與此相似。這種液體能拉絲，也跟蠶的絲液能拉出絲一樣，是因為它們有粘性和彈性的雙重性質。

動物和植物的"粘液"大多具有粘性與彈性的雙重性質。比如蝸牛和蛞蝓的粘液，人的唾液、痰、鼻涕，鱔魚的粘液，海藻表面的粘液，芋頭的粘液等。這些液體用力攪動後都能表現回縮的彈性，向上挑的速度合適也能拉出絲來。研究表明，在拉絲現象中，粘滯性起主要作用，彈性起輔助作用。也就是說，可流動性是拉絲的基本條件，再加上可伸縮的彈性，才能出現拉成長絲的現象。

有些食品以能拉出絲來而著稱。如主產於河北滄縣及山東樂陵的金絲小棗，以核小、肉厚、色鮮、味濃、糖多、質細著稱，而購買時鑑別質量是否上乘的標準，主要就是用手抓住小棗兩頭，猛一撕開後能否拉出很多金色的絲來判別。成語"藕斷絲連"也正描述了鮮藕切斷後，藕中所含粘液被拉出絲的情景。菜肴中有一道拔絲菠蘿(或蘋果、山藥等)，就是用炒糖稀作成粘液裹在上面，以能拉出許多糖絲而著稱。當然也有的食品在新鮮的時候不會有拉絲，腐壞了才容易拉絲，人們也常以此來判斷這些食品是否腐壞變質了，比如農歷八月十五中秋節時的月餅。

註：摘自《力學詩趣》南開大學出版社