走进科学
硅胶如何接管世界
硅胶因全球化而普及，成为保护长途运输商品、维持现代供应链运转的廉价可靠之选。
新买的运动鞋鞋头里塞着它，海苔零食包装袋里夹着它，就连新吸入器的充气袋和孩子们3D打印耗材的真空包装里，都能找到它的身影。这些小小的白色袋子上无一例外地印着“请勿食用”的警告，搞得我每次都小心翼翼地把它们塞进垃圾桶深处，生怕孩子们控制不住好奇心尝上一口。硅胶干燥剂似乎无处不在，成了我们生活中保持零食酥脆、物品远离霉变的唯一屏障。它们到底是怎么来的？难道硅胶真的要占领世界了吗？
撕开它那小小的特卫强纤维包装，把一包玻璃状的硅胶珠倒在手心，别担心，它们不会伤害你。这些珠子的主要成分和沙子没什么两样，都是二氧化硅——我们日常用的玻璃杯、汽车挡风玻璃，甚至你正在阅读这篇文章的电子设备屏幕，都离不开它。但不同的是，普通玻璃的密度大约是每立方米2500公斤，结晶二氧化硅(石英)则约为2650公斤，而硅胶的密度却只有大约700公斤每立方米。它看起来似乎是实心的，但实际上内部布满了无数微小的孔隙。打个比方，如果你的窗玻璃像一片坚固的薄冰，那么一颗硅胶珠就好比一个微型的雪球，看似紧密，实则疏松。
如果用扫描电子显微镜放大观察一颗硅胶珠，你会发现它光滑的表面其实并不连续，而是布满了直径约2.5纳米的孔洞(这大约相当于一条DNA链的直径)。正是这种精密的微观结构赋予了硅胶非凡的特性。想想看，我孩子吃的海苔零食里附带的硅胶包，也就比邮票稍微大一点，总质量不过一克左右。然而，仅仅这一克的硅胶，其内部的总表面积就能达到惊人的八百平方米——这几乎相当于两个标准篮球场的大小。
这些特性使得硅胶能够通过一种叫做“毛细凝聚”的过程，吸附高达其自身重量40%的水蒸气。当潮湿的空气进入硅胶珠的孔隙时，其内部的蒸汽压会随之升高，促使水分子凝结并附着在硅胶巨大的内表面上。如果我们冒昧地将水拟人化，就好像水分子本身更倾向于以液态的形式“躲藏”在硅胶微小的毛细孔道里，而不是以气态的形式随波逐流于空气之中。
因此，当你在进口零食或新夹克的口袋里发现一包硅胶时，它的主要任务就是吸附空气中的水蒸气。当然，就像大多数过滤器一样，硅胶的吸水能力也是有限的；毕竟它的内部表面积是固定的，所以一包特定大小的硅胶所能吸附的湿气总量也是有限的。幸运的是，硅胶供应商通常会提供便捷的计算工具，帮助客户根据需要干燥的空气体积以及期望达到的干燥程度，来确定所需硅胶包的大小。举个例子，假设你想干燥一个普通儿童气球内部的空气，你首先需要估算其体积(比如14升)，然后对初始温度和湿度做一些假设(比如大约35摄氏度，75%相对湿度)，最后确定你希望达到的最终相对湿度(比如降低到20%)。通过这些数据计算，你会发现大约需要从气球的空气中去除0.3克的水分。这个任务，用一包一到两克的硅胶就能相当可靠地完成，只需在吹气球之前把它塞进去即可。
当然，不同的应用场景也意味着不同的目标。比如，你平时吃的薯片包装袋并非完全不透湿气，如果要将它漂洋过海运输，并在货架上放置数月，就必须考虑到会有额外的水蒸气渗透进去，这时硅胶包就派上了用场。还有一些情况，使用硅胶并非追求极致干燥，而是为了维持一个特定的平衡湿度。例如在艺术品保护领域，硅胶包会被放入展柜中，利用其“湿度缓冲能力”，在展厅其他区域环境条件可能波动的情况下，帮助维持展柜内部一个相对稳定(有时甚至是较高)的湿度环境。
虽然玻璃和玻璃状物质已被人类使用了数千年，但直到二十世纪初，来自Johns Hopkins大学的研究员Walter Patrick才开发出一种高效制备硅胶的方法，并申请了专利。他的方法是将一种叫做“水玻璃”的物质与酸混合。水玻璃本身就是一种很有趣的材料，它本质上是可溶于水的玻璃，是一种含有氧化钠和二氧化硅的碱性化合物。当它与酸混合时，其中的二氧化硅会沉淀出来，并相互连接形成我们现在所熟知的硅胶基质。这种玻璃状且质地坚硬的硅胶随后需要经过洗涤和干燥，以去除多余的酸、盐和水分。
在Walter Patrick发明硅胶后的五年内，通过与Davison Chemical公司的合作，硅胶开始商业化生产。然而，正如一篇分析Johns Hopkins大学科研成果对当地经济影响的学术论文所指出的那样，“从实验室走向商业世界的道路漫长而曲折……最初的学术突破需要大量的后续开发工作来完善，而且在产品获得商业成功之前，还必须不断为其寻找新的应用场景。”
但硅胶最终还是取得了商业上的成功。1927年，Davison公司在巴尔的摩建立了一家硅胶工厂，到1930年，他们声称已经申请或获得了超过三百项与该材料相关的专利。这家公司于1954年被W.R. Grace公司收购，时至今日，Grace公司仍然在巴尔的摩的同一厂址生产特种硅胶产品。
为了解当今硅胶产业的状况，我采访了Demetrius Michos博士，他是一位在Grace公司工作超过三十年的资深化学家。他向我保证说，我的“日常生活中不可能不接触到Grace公司的产品”，并接连举出一些鲜为人知且用途奇特的硅胶应用实例，让我大开眼界。不过，他也提到，Grace公司的主营业务大多已从我们常见的消费品包装中的小袋干燥剂转向了更高端的市场。虽然Grace公司在硅胶业务领域占据重要地位，并且也销售许多其他二氧化硅相关产品，但他们似乎对硅胶干燥剂小包装本身并没有太大的投入兴趣。
既然如此，我便转而研究进口情况。美国人口普查局的进口数据最早可以追溯到1992年，数据显示，无论是二氧化硅还是硅胶，其进口量都呈现出持续增长甚至加速增长的趋势。总进口量在2022年达到顶峰，大约是1992年水平的十倍。这很有趣，但仍然没有直接回答我关于干燥剂小包来源的问题。诚然，我们今天进口的硅胶比九十年代初要多得多，但与此同时，我们进口的鞋子也比那时多得多，可我总不能说我每买三件东西里面就发现一双鞋吧？问题的关键并不在此。
在经历了一轮收效甚微的电话沟通后，我终于联系上了一位名叫John Perona的销售代表，他所在的公司销售的产品中就包括硅胶干燥剂包。他一开始就直截了当地质疑我写一篇关于硅胶的文章到底有什么意义，然后告诉我，我问的问题有点“钻牛角尖”了。他建议道：“你只需要看看现在货物是如何在世界范围内运输流转的，就能明白硅胶干燥剂包想要解决的是什么问题了。”
他接着有些不情愿地解释了硅胶进口量增加的原因，其实很简单：“没有人希望自家后院旁边就建一个硅胶工厂。”如今，只有特种硅胶产品还在美国本土制造；而我在零食和药品包装里发现的那些常见的小袋干燥剂，要么完全在海外生产，要么是在美国利用进口的硅胶珠进行分装组装。
接着，John提醒我，就在几十年前，可能在我家半小时车程范围内的某条街道上，就聚集着成千上万的制造业岗位，就像曾经的Brooklyn一样。如果我那时生活在那里，可以直接从这些本地工厂购买商品。这些商品从工厂到我手中，路途很短，几乎不会经历剧烈的温度和压力波动，即便有少量湿气产生，其包装或许也能自然地将其排出。
然而，当一件产品需要跨越的距离越远，从工厂到消费者手中的时间越长，途中经历的温度和压力变化周期越多，就越有必要在其密封包装内部采取湿度控制措施。硅胶，恰恰提供了一种廉价、简便且可靠的解决方案。从这个意义上说，硅胶和集装箱运输、拉伸缠绕膜以及货运提单一样，都属于支撑现代全球供应链运转不可或缺的技术元素。没有它，维持我们今天所依赖的全球贸易体系将会困难得多。
所以，真正“占领”世界的其实不是这些干燥剂小包本身，而是全球化的大潮。
因此，我们才会将海苔零食、吸入器和3D打印耗材封入密闭的塑料袋中，然后将它们运往世界各地。诚然，正如我采访过的一位工程师所建议的，我们完全可以在封装这些产品之前，往包装里充入干燥的惰性气体来防潮。但是，相比之下，在封口前随手塞进一小包用特卫强纤维包裹的硅胶干燥剂，操作起来无疑要简单便捷得多。
本文译自 scopeofwork，由 BALI 编辑发布。
