硅是地壳中除了氧之外含量最多的化学元素，也是与人类联系极为密切的一种元素。从玻璃、水晶到陶瓷、水泥，再到半导体设备中用到的单晶硅，硅和硅的化合物几乎无时无刻不在为我们的生活服务。
不过在本文中，笔者要向大家介绍的是硅的家族的另一个成员。这种化合物有着非常独特的性质，与人们生活的联系也不比它的兄弟姐妹们差。
它的名字叫做硅酮
什么，你没有听说过？
不要紧，就让我们一同来寻找硅酮在日常生活中的足迹吧。
以硅酮为主要成分的粘合剂 （图片来源https://mandycheng128.en.ec21.com/Silicone_Sealant--4543514.html）
不过
在开始寻找硅酮之前，我们应该需要弄清楚的是
硅酮长什么样？
从沙子到硅酮
硅酮是出自于矿藏吗？不是。是从生物中提取出来的吗？当然更不是。硅酮在自然界并不存在，因此我们需要把其他形式的硅转化为硅酮，那么这是如何实现的？
我们都知道，硅在地球上主要的一种存在形式是二氧化硅，也就是沙子的主要成分。从沙子出发，我们可以得到单质的硅和许多其他硅的化合物，而这其中也包括硅酮。首先，在高温下，我们用碳与二氧化硅反应，得到硅的单质：
SiO2 +2C = Si + 2CO
接下来，我们让得到的单质硅与一种名为一氯甲烷的化合物反应。这个反应得到的产物是一锅大杂烩，但主要的成分是一种叫做二甲基二氯硅烷的物质。我们知道，在元素周期表中硅位于碳的正下方，二者有一个共同点，那就是有四只“手”——一个碳或者硅的原子可以同时与四个其他原子形成化学键。在二甲基二氯硅烷中，硅原子的两只手各抓住一个甲基，而另两只手则分别抓住一个氯原子。
不过，硅抓着氯原子的那两只手并不是很牢，如果遇到水很快就松开了——氯原子被水中的氢氧根也就是羟基（OH）取代，同时得到副产物盐酸。
但这个新得到的化合物并不安分，它们觉得羟基这个东西怪讨厌的，想把它甩掉。那么如何甩掉呢？俗话说一个巴掌拍不响，它们很快发现，如果两个分子凑到一起，在盐酸的帮助下，彼此之间的的羟基互相反应，失去一个分子的水。这样一来，两个硅原子便通过一个氧原子连在了一起。这样新生成的分子又可以继续帮助同伴摆脱羟基的束缚，于是三个或者更多的硅原子便连在一起形成一条长链，或者首尾相连变成一个环。像这样的分子就是硅酮 (silicone)。
在合适的条件下，我们还可以让成千上万的硅原子以这种方式连在一起，得到高分子化合物。在前面的一系列反应中，由于每个硅原子上都连着两个甲基，这样得到的硅酮被称为聚二甲基硅氧烷，也就是大名鼎鼎的PDMS，不过我们完全可以通过化学反应将甲基换成其他的结构。如果我们把硅酮的分子彼此之间也连接起来形成一个网状的结构，那么就得到了橡胶一样有弹性的固体，我们称之为硅橡胶。但如果不做这样的处理，硅酮则主要是以液体形式存在，我们常常叫它硅油。因此，硅酮并不是某一种特定化合物的名称，而是包含了一大类结构相似但又有所不同的成员。
顺便说一下，以硅酮为主要成分的产品有的时候也被称为“硅胶”，但被用做干燥剂或者色谱柱填充料的硅胶其实是二氧化硅的颗粒，与硅酮的“亲缘关系”甚远。大约许多用法已经约定俗成，后人也只好将错就错了。
好了
现在我们知道硅酮的“长相”
接下来就开始寻找出现在日常生活中的硅酮吧。
寻找硅酮第一站:涂料和粘合剂
环顾四周，许多物体的表面都需要涂上不同形式的涂料，例如汽车表面的喷漆，木地板和木制家具表面的涂层等等。这些涂料除了保证美观，更重要的目的是为所覆盖的物体提供保护，例如涂在金属表面的涂料就可以有效防止金属的锈蚀。还有很多时候，我们需要把两块相同或者不同的材料连接在一起，又不能使用焊接或者螺丝钉固定等方法，那么使用粘合剂就是唯一的选择了。
涂料和粘合剂的用途虽然迥异，但其实往往是由相似的材料组成，因为它们其实有一个很大的共同点，那就是本身通常需要是易于流动的液体，覆盖到某种物体的表面上之后又需要在一定的条件下固化。因此，涂料和粘合剂必须能够很好覆盖某个物体的表面。
这个要求听上去毫无难度，但如果你尝试过将水滴在不粘锅的表面或者将水银滴在玻璃的表面，就会发现液体并不是在任何时候都可以覆盖固体的表面。在刚才举的这两个例子中，水或者水银只会保持液滴的形式而无法在固体表面铺展开，哪怕你用力强迫它们铺展，只要一松手，液体还是会恢复液滴的形状。
那么为什么有的时候液体不能覆盖固体的表面？无论是什么样的固体物质，在它的内部，围绕在一个原子或者分子周围的总是它的同伴。然而在固体的表面，这些原子或者分子却只能和空气的分子相接触，这就造成一个额外能量的出现，我们称之为表面能。那么表面能的出现对于固体表面有什么影响呢？
把一只皮球握在手里然后松开手，皮球既不会悬浮在空中更不会上升，而只会是径直落地，这是因为皮球受重力作用而具有一种能量——势能。皮球在地面上的势能更低，因此更加稳定。同样的道理，固体也希望设法降低自己的表面能，让自身更加稳定。
那么如何实现这个目标？如果液体覆盖在固体上形成一层均匀的薄膜，那么与空气相接触的就由固体变成了液体，这个新的界面同样存在一个能量，也就是液体的表面能。如果液体的表面能低于固体的表面能[1]，那么整个体系的能量自然降低，因而更加稳定。这就是为什么许多液体能够自发地覆盖固体表面，或者用更加专业的术语表述，叫做能够浸润固体表面。
但如果液体的表面能比要覆盖的固体表面高，液体自然不能浸润固体表面，因为这样总的表面能不降反升，会让体系变得更不稳定。如果这种液体恰恰是涂料或者粘合剂，那么我们就遇到大麻烦了——难以在这种表面上涂上油漆或者把它和其他物体粘在一起。
如果液体不能够浸润固体表面，我们该怎么解决呢？显然，要么设法选择表面能更低的液体，例如水的表面能要大大低于水，而有机溶剂的表面能通常又比水低得多；要么设法改变固体表面的性质，让它的表面能更高一些。但在很多情况下，后一种方法实施起来并不是那么容易。如果你是涂料生产商，生产的涂料不能很好地涂在某种塑料用品的表面，你总不能对客户说：对不起，请你改用金属作为原料吧。因此对于涂料或者粘合剂来说，很多时候只能在液体的化学组成上下功夫。
常见液体和固体的表面能（单位mJ/m2, 固体实际上为临界表面能）的对比。数据主要来自Edward M. Petrie撰写的Handbook of Adhesives and Sealants 一书
这个时候，硅酮的优势就体现出来了。硅酮的表面能不仅大大低于水，比许多有机溶剂也要低得多。因此，人们常常要么将它直接添加到涂料或者粘合剂中，要么通过化学反应事先将它与涂料或者粘合剂中的主要成分连在一起。经过这样的处理，涂料或者粘合剂能够更好地浸润固体的表面，其性能自然得到了明显的提高。在一些涂料或者粘合剂中，硅酮更是唱起了主角，例如建筑和家庭装修中常用的密封剂有许多就是以硅酮为主要成分。这些密封胶中的硅酮以液体形式存在，被添加到需要密封的部位后在空气中的水汽作用下能够逐渐固化，从而牢牢地将缝隙堵住。
以硅酮为主要成分的密封胶在建筑和家庭装修中很常见[2]
硅橡胶制成的厨具 （图片来源https://iknowwhaticonsume.wordpress.com/category/reusing/）
寻找硅酮第二站：厨具
让我们做这样一个小实验：在一块洁净的玻璃表面滴上几滴水，水很快就在玻璃表面形成一层薄膜，但如果我们在这块玻璃上先涂上一些硅酮并让它固化，然后再把水滴上去，就会发现水滴不再容易铺展开，而是尽量保持原有的形状。这是为什么呢？
硅酮固化之后，它的化学结构并没有太大的变化，因此固态与液态硅酮的表面能也相差无几。这就造成一个很有趣的事实：液态硅酮由于表面能低，很容易就覆盖在固体表面上，而它固化之后，它又使得固体表面的表面能大大降低，许多液体不再能够轻易覆盖在这个新的表面上。这就像是在明星的见面会上，一位粉丝抢到了最先与偶像见面的机会，然后又死死阻拦不准别的粉丝靠近偶像一步。不过虽然硅酮很“霸道”，人们还偏偏喜欢它这个劲头，因为硅酮能够让固体表面变得“不沾”，特别是表面能相对较高的水，更是在硅酮表面寸步难行。这可以有效地保护固体表面不受玷污。例如我们把硅酮喷涂在建筑物的外墙上，就可以有效地防止路人在上面乱涂鸦，因为油墨会很难均匀铺展在硅酮表面，很快就从墙上流走了。
当然，如果我们把一大盆水泼到硅酮表面，在重力作用下，水还是会和硅酮发生接触。如果把水换成能够固化的液体，再如法炮制，看上去“蛮不讲理”的硅酮终于被征服了？其实不然，只要我们稍稍用力，这一层固体就会从硅酮表面脱落，而且几乎不会留下任何痕迹，也就是说，经过硅酮处理的表面不仅“不沾”，而且能够“不粘”。这个性质同样可以给我们带来很大的便利。例如许多物品的加工都需要先将液体的原料注入模具，然后使之固化成型，但如果固化后的物体与模具粘在一起，要想将物体完好取出就比较费劲。但如果事先在模具内壁涂上一层硅酮，那么成型后的物体就更加容易与模具分离。
当然，如果我们不是将硅酮涂抹到其他物体的表面，而是直接将固态的硅酮也就是硅橡胶制成各种器具，这些器具的表面同样可以保持清洁。这就是为什么用硅酮制成的烤盘、铲子等厨具不容易被食材玷污，即便粘上食物残渣也很容易就可以洗掉的原因。如果你厌烦烹饪后的清洗，硅酮厨具无疑是个大福音。
硅酮制成的烤盘[1]
硅橡胶不仅表面不容易被其他材料附着或者玷污，与其他的橡胶相比还有另外一个显著的优点。你或许见过这样的实验：把一个橡胶做成的小球浸泡在液氮中一段时间，然后迅速取出并让它从高处落下，结果小球不仅不会弹起，而且很可能伴随着清脆的响声裂成几块。这说明当温度低到一定程度，橡胶就无法保持弹性，而是变得硬而脆，受到外力冲击容易破碎。这个温度称为玻璃化转变温度。例如天然橡胶和许多合成橡胶的玻璃化转变温度都在-70 °C或者更高，而液氮的沸点低达-196 °C，在这个温度下，它们自然不再具有弹性。
这个时候，硅酮的优势就体现出来了：它的玻璃化转变温度比其他常见的橡胶材料都低得多。当其他橡胶的性能随着温度降低而大打折扣时，硅酮仍然能够保持良好的弹性，因此非常适合低温条件下的应用。
几种常见橡胶的玻璃化转变温度（单位：摄氏度）的比较。数据来自参考文献[2]
硅酮不仅“不怕冷”，还“不怕热”——在高温下的稳定性要比其他常见橡胶材料要好得多。不仅如此，紫外线和臭氧是许多橡胶材料的大敌，硅酮却对它们统统免疫，因此在需要面对比较苛刻的环境时往往派它上阵。
不过硅酮也不是完美无瑕：它的生产成本要比其他橡胶高得多，而且机械强度也不如其它橡胶，因此并非每一个场合都会把它作为首选，例如几乎没有人会去拿硅酮做汽车轮胎。当然，没有任何一种材料是完美的，扬长避短，总是我们在选择材料时应当遵循的原则。
了解了硅酮作为橡胶的种种优点，接下来我们再来看一看硅酮是如何为我们的健康保驾护航的。
寻找硅酮第三站：医疗器械
健康问题的解决不仅需要药物，还离不开各种医疗器械，例如导管和植入体内的设备，而用于医疗器械的材料选择起来讲究可就多了。首先，这种材料与人体接触时不能引起炎症等不良反应，更不能有毒。其次，这种材料在体内的稳定性要好，要知道各种酶和微生物可不是吃素的，很多材料都能被它们啃得千疮百孔。这么高的门槛让很多材料望而却步，而硅酮却很好地符合这些条件，因此自然受到医护人员的青睐。另外，前面我们提到，硅酮在高温下也能很好地保持化学结构不受破坏，因此我们可以放心地把硅酮制成的用具放入高压灭菌釜进行消毒。正是由于这些优点，硅酮经常被用于生产各种医疗器械，例如导管和植入体内的设备等，不过最为有名应用的大概要数用于隆胸了。
在前面我们已经提到，用于隆胸的“硅胶”不是二氧化硅，而是地道的硅酮，不过这里的硅酮并非普通的固体硅酮也就是硅橡胶，当然更非液态硅酮，而是将硅橡胶和液态硅酮混合到一起。我们知道，化学性质相近的物质可以充分混合到一起，即所谓“相似相溶”。把化学结构几乎相同的硅橡胶和液态硅酮放在一起，大概会像将糖块放到水中那样，糖块很快消失不见？其实不然，因为这里的硅橡胶已经是一个三维的网络，无法再分散到液态硅酮中。相反，液态的硅酮会渗透到硅橡胶中，让后者变得膨胀，像果冻一样，柔软但又不再像液体一样自由流动，这样的材料我们称为凝胶。硅酮的凝胶做好后，外面还要包上一层普通硅橡胶制成的膜以防止泄露，这样才得到用于隆胸的硅胶。当然，还有许多消费者选择生理盐水作为隆胸材料，但这种材料其实也是将生理盐水袋密封在硅橡胶中，因此仍然离不开硅酮。
用于隆胸的硅胶[3]
可能有的朋友会说，我的身体很结实，手术之类的离我很遥远，硅酮是否仍然有机会为我的健康服务呢？当然有，其中一个场合便是隐形眼镜。最早的隐形眼镜采用聚甲基丙烯酸甲酯，也就是俗称的有机玻璃为主要材质。有机玻璃的透光性能堪比玻璃，却不像玻璃那样受到冲击容易破碎，而且也比玻璃轻便得多，按理说用于隐形眼镜真的是近乎完美了。但这种隐形眼镜的佩戴者经常抱怨戴了一段时间隐形眼镜后就会感到非常不适，这是怎么回事呢？原来，人眼要想发挥正常的生理功能，必须能够直接与空气接触。而在有机玻璃中，分子与分子之间的排列实在太紧密了，像一堵密不透风的墙。空气难以透过隐形眼镜镜片与人眼接触，隐形眼镜的佩戴者自然不会感到非常舒服。研究人员随后尝试用刚才提到的凝胶类材料代替有机玻璃，只不过这里用水来作为溶剂。水能够帮助空气透过镜片，但透气性仍然有限。
这个时候，研究人员想到了硅酮。与有机玻璃等常见的高分子材料不同，硅酮的分子与分子之间排列地非常疏松，存在着大量的空隙，因此气体分子可以畅通无阻地穿过它。尤其有趣的是，硅酮虽然不能让水滴在它表面铺展开，却可以让水蒸气顺利通过。实验表明，硅酮的透气性能是其他常见橡胶或者塑料的几十甚至上百倍！与此同时，硅酮也可以像有机玻璃那样高度透明。因此人们期待，用硅酮制成的隐形眼镜将会给使用者带来更好的体验。
最常见的硅橡胶——聚二甲基硅氧烷与其他常见塑料或者橡胶透气性的比较（相对值，以高密度聚乙烯为1）。数据来自参考文献[4]
不幸的是，硅酮被人们津津乐道的“不沾”和“不粘”的优点在这里却给隐形眼镜的开发者带来了大麻烦——由于泪液很难在硅酮表面铺展开，用硅酮制成的隐形眼镜镜片经常会与角膜直接接触，这很容易引发各种眼部感染。结果，虽然透气性显著提高，隐形眼镜佩戴者的体验却变得更加糟糕。幸好聪明的科学家们找到了解决之道，那就是通过化学反应将硅酮和前面提到的有机玻璃或者水凝胶强行“捆绑“到一起。这样一来，硅酮的高透气性仍然可以得到保留，而有机玻璃等材料对泪液的亲和力又比较强 ，镜片的各个指标比较令人满意。今天广泛用于隐形眼镜镜片的材料就是基于这种组合。
有的朋友或许又要说，我也不近视，从不戴眼镜，硅酮还会与我的健康有关系吗？答案仍然是肯定的，因为我们每天都离不开沐浴露、护发素、护肤品等日化用品，而许多日化用品中都有硅酮的身影。这些产品中的硅酮的具体结构有所差别，功能也不尽相同，但都在为保证和提高产品的性能默默奉献，例如用在护肤品中的硅酮通常会给使用者带来独特的柔顺润滑的感觉，而把硅酮加到口红中，则能够让口红涂在嘴唇上之后显得更加光泽动人。
好了
我们的寻找硅酮之旅就要到此为止了，不过这并不意味着硅酮的应用只有前面介绍过的这几方面。事实上，这种神通广大的材料几乎渗透到我们生活的方方面面，我们又有什么理由不去喜爱它呢。
参考文献和注释
[1] https://www.amazon.com/HIC-Silicone-12-Cup-Muffin-Pan/dp/B00428M7ES
[2] https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Aldrich/General_Information/thermal_transitions_of_homopolymers.pdf
[3] https://www.dowcorning.com/content/publishedlit/52-1069-01.pdf
[4] W. L. Robb, “Thin Silicone Membranes-Their Permeation Properties and Some Applications”, Annals of the New York Academy of Sciences, 1968, 146, 119
[5] 严格来说是液体的表面能低于固体的临界表面能，因为当液体覆盖在固体表面上时，原有的固体-气体界面被固体-液体界面和液体-气体界面所取代，因此液体要能够浸润液体，必须满足固体-液体界面和液体-气体界面的表面能之和小于原有的固体-气体界面的表面能。实际应用中通常使用临界表面能这个概念。某种固体的临界表面能即刚好能浸润该表面的液体所对应的表面能。如果液体的表面能低于这种固体的临界表面能，那么这种液体能够浸润该固体，反之则不能
[6] https://homeguides.sfgate.com/install-bathroom-silicone-70031.html
作者：魏昕宇；科学公园主编，高分子科学与工程专业博士。
