小溪/文
美國能源部科學辦公室出版的《Acceleratorsfor America's Future》中有這樣一段描述：感恩節能吃上新鮮肥嫩的烤火雞，別忘了感恩粒子加速器，因為幾十年來美國食品加工商一直使用經粒子加速器輻照交聯處理後的塑料薄膜——熱收縮膜來包裝火雞。
熱收縮膜？聽起來陌生，確已深深滲透到我們的生活之中。
《Accelerators for America's Future》(部分章節)(圖片來自網絡)
塑料膜
先了解一下比較熟悉的塑料膜。
塑料的主要成分是樹脂。天然樹脂是樹木的一種分泌物(即樹枝被鋸斷後切口處的那層黃色膠狀體)。合成樹脂則是人工合成的一種高分子量聚合物，由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重複連接而成(類似珍珠項鍊那樣串在一起)。
聚合物分子結構示意圖(圖片來自網絡)
合成樹脂比天然樹脂密度小、強度高、耐腐蝕性好。以合成樹脂為主要成分，再加上些增塑劑、填充劑、潤滑劑或著色劑等輔助材料，即可生產出有一定特性的可塑材料——稱為「塑料」。
追溯歷史，首次成功研製出塑料的是美籍比利時人、化學家列奧·貝克蘭(Leo Baekeland) ，時間是在20世紀初。貝克蘭註冊了相關專利，並開設了批量生產塑料的工廠，有些資料稱他為「塑料之父」。
塑料製成的薄膜廣泛應用於食品、醫藥用品等物品的包裝，給人們的生活帶來了很大便利。但塑料製品有不少弱點，例如耐溫性能差、容易破裂或被撕裂等，科學家們一直在設法提高塑料的性能。
熱收縮膜
隨著科技的發展，20世紀50年代初期，英國科學家亞瑟·查裡斯貝(Arthur Charlesby)的相關研究取得了突破。他發現聚乙烯(塑料的一種)經輻照交聯技術處理後可變成一種具有特殊「記憶效應」的熱收縮材料。查裡斯貝發表了一系列關於輻射交聯技術研究的論文，他的開拓性工作大大推動了輻射聚合物領域交聯技術的研究與發展。
查裡斯貝發表的相關論文(圖片來自網絡)
什麼是輻照交聯技術？即塑料在某些輻照條件下，其分子結構由原先的線型鏈狀結構轉化為網狀的三維結構，從而引起了塑料的物理及化學性能改變——這就是輻照交聯反應。
線型分子交聯(左)與網狀結構(右)示意圖(圖片來自網絡)
這種熱收縮材料被加熱到一定溫度時變得膨脹且很有彈性，將它拉伸成薄膜，隨之再將溫度降至室溫，它卻仍能保持膨脹時的狀態。如果用它來包裹某些東西，例如，包上一隻肥嫩的火雞，只要對薄膜再次加熱，奇蹟就出現了：薄膜顯現了「記憶效應」，自動收縮至它未膨脹時的狀態，肥嫩的火雞就被薄膜緊貼著嚴嚴實實地密封起來了。這種經輻照交聯處理的塑料薄膜被稱為熱收縮膜。
塑料的交聯反應可通過化學方法(如加入交聯劑)或物理方法(如輻照)來實現。用物理方法進行輻照交聯反應可用某种放射源、光源或靜電加速器、大功率電子直線加速器產生的射線(X射線、γ射線、中子束、粒子束等)對塑料進行輻照，效率最高的就是大功率的輻射裝置——粒子加速器。
電子加速器輻照處理塑料膜示意圖(圖片來自網絡)
塑料膜用來自粒子加速器的粒子束輻照處理後，因交聯反應變得超級堅固並具有熱收縮特性。食品加工商從塑料製造商那裡大批購買這種熱收縮膜用於包裝各類食品，從而使新鮮的食品顯得更加誘人。
美國某工廠用於生產交聯熱收縮膜的多臺電子加速器(圖片來自網絡)
收縮膜產品(圖片來自網絡)
用途廣泛
如今，熱收縮膜廣泛應用於食品、醫藥品、消毒餐具、化妝品、文體用品、辦公用品、工藝禮品、印刷品、機械零部件、電子電器產品、建築材料等物品的包裝。對不規則形狀物品的組合包裝、超大型物品的包裝，使用熱收縮膜有更大的優勢，既能滿足商品的防潮防塵、防觸摸偷換、透明展示等功能，又增加了商品外觀上的吸引力。
商品的熱收縮膜組合包裝(圖片來自網絡)
高速熱收縮膜包裝機(圖片來自網絡)
印刷品的熱收縮膜包裝 (圖片來自網絡)
藝術品的熱收縮膜包裝 (圖片來自網絡)
大型物品的熱收縮膜包裝(圖片來自網絡)
熱收縮膜僅是輻照交聯技術眾多的應用之一。各類塑料經交聯反應後大大提高其耐環境應力開裂、耐熱、耐油、耐燃、耐化學藥品腐蝕、抗蠕變性和電性能等綜合性能，並顯著提高了耐熱溫度，拓寬了應用領域。經輻照交聯處理的電線、電纜、各類管材、板材廣泛應用於汽車、飛機、電子、建築、大型工程等。而經輻照交聯處理的聚乙烯泡沫塑料等則在絕緣、建築、救生、隔熱等方面具有特殊的優勢。
電纜線的輻照交聯加工(圖片來自網絡)
用於工程管道連接的熱收縮套(圖片來自網絡)
註：熱收縮膜包裝與一般的真空包裝是不同類別的技術：真空包裝袋的塑料膜較厚，需經抽真空系統將包裝袋內抽成低真空後封口，以便於運輸和貯存。熱收縮膜很薄，加熱後會緊貼在包裝物上防潮保鮮，被包裝物品更直觀、緊湊便於運輸。
真空包裝(左)與熱收縮膜包裝(右)(圖片來自網絡)
環顧四周，我們日常接觸到的包裝膜太多了，原來還傻傻以為都是塑料膜呢。在了解了熱收縮膜的特性與科技內涵後，才能發現它與一般塑料膜的不同。真沒想到，熱收縮膜離我們這麼近，這項與粒子加速器相關的技術已深深滲透到每個人的生活之中！
參考資料：
1、Shrink wrap https://www.symmetrymagazine.org/article/october-2009/accelerator-application-shrink-wrap
2、Arthur Charlesby1915–1996 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969806X96900043?via%3Dihub
3、Accelerators forAmerica’s Future https://www.energy.gov/science/office-science
4、What Does aParticle Accelerator Have in Common with Your Thanksgiving Turkey? https://www.energy.gov/articles/photo-week-what-does-particle-accelerator-have-common-your-thanksgiving-turkey
5、Physicists talkturkey https://www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/11/23/physicists-talk-turkey
6、The Secret Lives ofParticle Accelerators https://www.popsci.com/technology/article/2010-02/secret-lives-particle-accelerators/
7、CERN and the future ofparticle physics https://indico.cern.ch/event/696045/contributions/2894122/attachments/1636105/2613277/Phat_CERNAndTheFutureOfParticlePhysics_opt.pdf
8、Five ways particle accelerators have changedthe world https://theconversation.com/five-ways-particle-accelerators-have-changed-the-world-without-a-higgs-boson-in-sight-54187
9、塑料的發明及發展 https://www.bmlink.com/news/531129.html
10、輻照交聯的發展史 http://www.dxdlw.com/ShowPost.aspx?ThreadID=215749
11、高分子交聯結構 http://twword.com/wiki/%E9%AB%98%E5%88%86%E5%AD%90%E4%BA%A4%E8%81%AF%E7%B5%90%E6%A7%8B
12、真空包裝與熱收縮膜 http://www.skyat.com.cn/news/zswd/236.html
13、聚乙烯PE成型 http://www.anytesting.com/news/869237.html
14、熱收縮膜前景展望 https://wenku.baidu.com/view/9bd190360b4c2e3f572763cb.html
來源：中科院高能所
編輯：Quanta Yuan