Як насправді працюють гумки? Це напрочуд складно.
Задовго до того, як людство отримало змогу одним натисканням клавіші видаляти невдалі слова з екранів, виправлення помилок у письмовому тексті відбувалося за допомогою механічного тертя. Класична гумка для стирання стала невіддільною частиною шкільних пеналів та офісних столів. Проте за цим простим побутовим предметом стоїть напрочуд складна взаємодія хімічних та фізичних процесів. 1
Зміст
Від черствого хліба до синтетичних полімерів
Історія інструментів для письма та їхнього стирання розвивалася нерівномірно. Графіт використовувався для створення міток протягом тисячоліть, а звичні дерев’яні олівці, у яких графіт або його суміш із глиною ховалися в дерев’яну оболонку, з’явилися в XVII столітті.
Засоби для видалення графітових слідів виникли значно пізніше. Першими попередниками сучасних гумок були шматочки черствого хліба та віск. Лише у XVIII столітті для очищення паперу почали застосовувати натуральний каучук. У XIX столітті цей матеріал став витривалішим завдяки винайденню процесу вулканізації — термічної обробки сіркою. Наступний етап еволюції відбувся у XX столітті з появою пластикових гумок, зокрема на основі полівінілхлориду.
У 1932 році Альбертом Дж. Дремелем був винайдений електричний ластик. У ньому використовувався змінний циліндр із гумовим матеріалом, закріплений у патроні, що обертався на осі двигуна. Швидкість обертання дозволяла застосовувати менший тиск, що мінімізувало пошкодження паперу. Спочатку використовувалася стандартна гумка для олівців, яку згодом замінили на більш ефективний вініл. 2
Примітно, що інтеграція гумки та олівця в один інструмент, яка сьогодні здається природною, відбулася не одразу. Патент на олівець із вбудованою гумкою був зареєстрований у Філадельфії лише 1868 року. Наприклад, японський виробник канцелярії Tombow випустив свій перший олівець у 1913 році, а власну гумку під назвою «Залізний шолом» (Tetsu-kabuto Jikeshi) представив лише через 26 років. Через економічні блокади воєнного часу її виготовляли з жирів та олій замість дефіцитного натурального каучуку, що згодом і підштовхнуло індустрію до переходу на пластик.
Тож як працює стирання?
Принцип роботи олівця та гумки базується на силах притягання та тертя. Коли олівець рухається по паперу, мікроскопічні лусочки вуглецю відшаровуються від грифеля і залишаються на поверхні. Графіт не просто застрягає між волокнами целюлози, він утримується на папері завдяки міжмолекулярній взаємодії.
Процес стирання — це хімічне суперництво за графітові частинки. Адгезія (зчеплення) між мікрочастинками графіту та каучуком або пластиком є сильнішою, ніж між графітом і папером. Коли гумка рухається по поверхні, виникає тертя, яке порушує зв’язок графіту з папером, і вуглецеві частинки переходить на матеріал гумки.
Додатково діє ефект легкої абразивності. Тертя дещо зношує верхній шар паперу, звільняючи затиснуті частинки. Саме тому існує велика кількість різновидів гумок: м’якші варіанти діють делікатніше і менше пошкоджують структуру паперового полотна, тоді як тверді є точнішими та довговічнішими, але агресивнішими до поверхні.
Простими словами. Гумка відриває частинки графіту від паперу й забирає їх на себе. Коли ми пишемо олівцем, на папері залишаються дуже дрібні частинки графіту, які слабко прилипають до волокон паперу. Коли ми тремо гумкою, тертя послаблює цей зв’язок, і графіт легше відривається. А до гумки ці частинки прилипають краще, ніж до паперу, тому переходять на її поверхню або змішуються з крихтами гумки.
Сили Ван-дер-Ваальса на мікрорівні
В основі утримання та видалення графіту лежать слабкі міжмолекулярні зв’язки, відомі як сили Ван-дер-Ваальса. Молекули мають нерівномірний розподіл електричного заряду на атомах, внаслідок чого позитивно заряджені ділянки однієї структури притягують негативно заряджені ділянки іншої. Папір має молекули з локальними негативними зарядами, які взаємодіють із позитивними поверхнями графіту.
Сам графіт на молекулярному рівні складається з безлічі двовимірних шарів вуглецю (графену), які накладені один на один і утримуються разом цими ж силами. Електронні хмари на сусідніх шарах графену перебувають у стані постійних випадкових коливань. Навіть попри те, що окремі шари є нейтральними й не мають постійного диполя (чітко виражених полюсів), випадкові флуктуації електронів створюють миттєві мікрозаряди, які зв’язують структуру докупи.
Оскільки зв’язок між графітом і папером є відносно слабким, механічного впливу гумки достатньо, щоб зруйнувати його і переорієнтувати частинки вуглецю на роботу з полімером чи каучуком.
Термохромія та камуфляж: альтернативні методи виправлення
Робота з іншими матеріалами для письма вимагає інших фізико-хімічних механізмів. Маркери для білих дощок використовують схожий принцип, але потребують спеціальної гладкої поверхні, що запобігає увібранню чорнила, та масляного роздільного агента, який утримує пігмент у підвішеному стані. Звичайне проведення сухою гумкою легко руйнує цей слабкий зв’язок.
Зовсім інакше працюють ручки з термохромним чорнилом – «Пиши-стирай». Таке чорнило містить хімічний регулятор, який реагує на зміну температури. Під час тертя спеціальним наконечником поверхня нагрівається до температури понад 60 градусів за Цельсієм. Це призводить до тимчасового розриву зв’язку між компонентом, що формує колір, та проявником, через що напис стає прозорим. Фізично пігмент залишається у структурі паперу. Якщо такий аркуш охолодити приблизно до мінус 20 градусів за Цельсієм, компоненти знову з’єднаються, і текст повернеться.
Звичайне чорнило не реагує на температуру і проникає глибоко всередину молекулярної сітки паперових волокон разом із рідким розчинником. Коли рідина висихає, пігмент стає частиною структури паперу, тому видалити його без суттєвого руйнування поверхні неможливо.
Для усунення таких помилок у середині XX століття з’явилися коректуючі рідини, стрічки та ручки, що маскували написане. Проте концепція зафарбовування помилок є значно давнішою. Дослідження ремесел Стародавнього Єгипту, проведені в Музеї Фітцвільяма в Кембриджі, виявили використання білої фарби для виправлення помилок на папірусах. Зокрема, у такий спосіб коригувалися контури ілюстрацій у Книзі мертвих.
Найцікавіше за тиждень
Один лист на тиждень. Без спаму.
Нові статті, добірки та корисні матеріали DAY TODAY — в одному короткому листі.
