同样是撕纸，为什么横着撕全是毛边？答案藏在《自然》里

不知道你有没有留意过生活里一个有趣的小细节：拿起一张普通手帕纸，顺着某一个方向轻轻一扯，裂口干脆利落，边缘整整齐齐；可调转 90 度横向用力拉扯，纸却很难一下子断开，断裂处乱糟糟布满毛絮，还能扯出细细的纤维丝。

作者自行拍摄

这当然是个生活小常识，但背后却有重要的原理，甚至还能启发科学家做出新材料，下面就仔细说说。

不同撕法，效果不同

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不光是柔软的纸巾，我们日常打印用的 A4 纸也会表现出相似的性质，只不过横、竖撕裂的差异没有卫生纸那么醒目。这是因为两者纤维密实程度不一样：卫生纸纤维结构疏松、孔隙多，纤维之间结合力弱，纤维方向带来的撕裂差异会被放大。而 A4 纸压得很密实，纤维之间结合紧密，纤维被牢牢束缚住。横向撕扯时，纤维不容易被轻易抽拔出来，因此横竖撕扯带来的外观差别就没有卫生纸那么明显。

可如果我们拿一张 A4 纸，先用力对折，反复捋压出一道深深的折痕，再沿着折痕撕开，切口会一下子变得整整齐齐。

这是因为对折施压，相当于人为给纸张预设了一条断裂路径。折痕位置的大量纤维被挤压、压断，产生应力集中；撕裂发生的时候，裂纹会优先沿着这条已经受损的预设通道向前扩展，不再四处随机分叉，撕出来的边缘自然干净利落（等等，怎么还有一根小呆毛）。

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明明是同一张纸，原料、厚薄完全不变，仅仅改变撕扯方向，撕裂效果却天差地别。很多人会误以为是纸巾质量不好，其实这并不是产品缺陷，而是材料自带的 “小脾气”——各向异性。所谓各向异性，就是同一种材料，在不同方向上，强度、抗撕裂、形变等物理性能表现截然不同。纸张由无数植物纤维交织而成，当大量纤维朝同一个方向“列队排布”，顺着纤维和垂直纤维两个方向，纸张的断裂行为就会完全不一样：顺着纤维撕扯，外力更容易撑开纤维之间的结合缝隙，裂纹顺畅向前延伸；垂直纤维撕扯，则需要直接扯断或者拔出一根根纤维，于是就产生大量毛边。

“撕纸现象”，到底有什么用？

纤维定向带来的各向异性，并不是纸张独有的特殊现象，大自然很多生物材料当中都能找到类似的例子。而弄清楚这个来自生活的物理规律后，科学家还可以反过来利用它，一项登上《自然》（Nature）[1]的重磅新材料研究就是如此。

被很多人称作“木头大王”的胡良兵教授带领的科研团队，看透了木材内部纤维素纤维“排队”的秘密，研发出性能惊人的“超级木材”。这项研究的思路通俗来讲并不复杂：木材本身由纤维素纤维、充当粘合剂的木质素和半纤维素构成。研究人员先通过化学处理部分脱除木材里的木质素，把紧紧粘连在一起的纤维“松绑”；再经过高温加压，把木材细胞壁压扁压实，让无数纤维素纤维紧密贴合、整齐对齐。

改造完成之后的“超级木材”，沿着纤维排布方向的强度达到原木的 8~12 倍，它的比强度（注：材料的强度与其密度的比值）甚至超过高强度钢、钛合金，可自身的密度却远远低于钢材。

给纤维排个队

读懂纤维排布、各向异性的奥秘之后，人类不再被动接受材料的天然属性，开始主动给纤维“设计队形”，把方向带来的性能差异，变成服务工业生产的强大工具。

造纸工业是最直接的例子。工程师会主动调控纸张内部的纤维取向：牛皮卡纸调整纤维排布方向，提升纸箱承压抗弯折的能力；瓦楞纸板精心设计波纹走向，依靠定向结构获得优异的缓冲减震效果；实验室滤纸也依靠纤维定向形成的特殊孔隙结构，实现稳定高效的过滤分离。

在建筑领域，定向刨花板、工程胶合木，会将木刨花、木片按照建筑受力方向定向铺放，再热压成型。即便是生长速度快、材质普通的速生木材，依靠纤维有序排布，也可以承担大型建筑的结构载荷。

纺织行业同样也能用这个原理，布料依靠经纱、纬纱交错编织，能获得横向、纵向不一样的拉伸手感，实现耐磨、抗撕裂等不同需求。

高端制造业更是将这套逻辑发挥到了极致。航空航天领域广泛使用的碳纤维复合材料，工程师会根据装备实际受力需求，一层一层铺放碳纤维。哪里需要承受高强度载荷，就把纤维朝向哪个方向排布。由此兼顾材料轻量化与超高强度，大量应用在飞机机身、风电叶片、高端运动自行车等装备上。

撕张纸撕得齐不齐，背后的原理是纤维的排布，而纤维如何排布，则决定了材料能拥有怎样的本领，弄明白了这个规律就可能做出新的东西。科学史上不少重要进展，走的正是类似的路：把身边再平常不过的现象研究清楚，再看看能把发现的规律用在什么地方。

参考文献

[1]Song J, Chen C J, Zhu S Z, et al. Processing bulk natural wood into a highperformance structural material[J]. Nature, 2018, 554(7691): 224228. DOI:10.1038/nature25476.

策划制作

作者丨盛雪茹 大连工业大学轻工与化学工程学院副教授

杨超 深圳理工大学科普中心负责人、分析化学博士、中国科普作家协会会员

审核丨孙明轩 上海工程技术大学教授 中国科普作家协会会员

策划丨丁崝