子彈打不碎的玻璃，我能掰碎？

2019-12-18 11:19 作者:二次元的中科院物理所 0人讀過(guò) | 我要投稿

你是否會(huì)相信有一個(gè)特別不易破碎的物體，而與此同時(shí)，它又非常的脆弱，以至于特別容易破碎呢？而且，這個(gè)矛盾的東西僅僅是一塊玻璃，一塊被稱為“魯珀特之淚”（又被稱為荷蘭淚）的玻璃。

小編反正是不相信的，什么東西能夠既容易碎，又不容易碎呢？更何況，它還只是一塊易碎的玻璃。

什么是玻璃？

我們知道，固體物質(zhì)一般可以分為晶體和非晶體。晶體是指在微觀結(jié)構(gòu)上粒子作周期性排列的固體，換句話說(shuō)就是一個(gè)最小周期在一個(gè)方向上多次重復(fù)出現(xiàn)。而包括像雪花、鉆石和食鹽這種是大的單晶，而大部分金屬、陶瓷等都是多晶（多晶是由兩個(gè)以上單晶組成的結(jié)晶物質(zhì)）。[1]

非晶體主要特征就是沒(méi)有晶體的長(zhǎng)程有序性特征，內(nèi)部粒子間的結(jié)合是無(wú)規(guī)則的。而玻璃是最常見(jiàn)的一種非晶體。廣義上講，”玻璃“包含了在原子尺度上具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)并且在加熱向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)表現(xiàn)出的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程。[2]

玻璃由于種類(lèi)的不同其化學(xué)成分差異很大，不過(guò)一般可以分為二氧化硅玻璃和特殊玻璃。其中大部分屬于前一類(lèi)。這種玻璃主要由沙子（主要成分二氧化硅）、石灰石（主要成分碳酸鈣）和碳酸鈉制成。雖然熔融的二氧化硅本身就是一種極好的玻璃，但是二氧化硅的熔點(diǎn)是1700多攝氏度，達(dá)到如此高的熔點(diǎn)所需要的能量非常大，也就會(huì)使玻璃售價(jià)非常昂貴（比如一些熔石英的光學(xué)鏡片，價(jià)格比普通玻璃貴的多）。

所以在制作普通玻璃時(shí)加入碳酸鈉作為助熔劑是為了降低二氧化硅的熔點(diǎn)，通過(guò)向二氧化硅中加入約25%的氧化鈉，可以將二氧化硅的熔點(diǎn)從1700多攝氏度降低到850攝氏度，但是這種玻璃又很容易溶于水（這種溶液叫水玻璃）。所以要加入氧化鈣使玻璃不易溶。[3]

給玻璃著色的試劑通常都是金屬的氧化物。相同的氧化物在不同的玻璃混合物中會(huì)產(chǎn)生不同的顏色，并且相同金屬的不同氧化物也可以產(chǎn)生不同的顏色。比如鈷的藍(lán)紫色，鉻的綠色或黃色，氧化亞鐵根據(jù)與之混合的玻璃產(chǎn)生橄欖綠色或淡藍(lán)色。在玻璃杯中加入細(xì)碎的木炭會(huì)產(chǎn)生黃色。碲似乎呈現(xiàn)淡粉色。銅會(huì)產(chǎn)生孔雀藍(lán)，如果增加氧化銅的比例，則會(huì)變成綠色。

魯珀特之淚有什么奇特之處？

那么，這個(gè)蝌蚪狀的玻璃有什么奇特之處呢？（感覺(jué)就像一個(gè)掛件？）

頭部非常堅(jiān)硬，尾部非常脆弱。在切斷它的尾部時(shí)，由于內(nèi)部張力無(wú)法維持而導(dǎo)致爆炸性破碎，魯珀特之淚在當(dāng)尾巴被切斷時(shí)，會(huì)爆炸性的分解成粉末。而其第二個(gè)特性是頭部具有異常的強(qiáng)度，如果單單給其頭部施壓，可以承受15000牛頓的力。這其實(shí)是由于頭部外表面附近存在巨大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致的，這種應(yīng)力分布可以通過(guò)使用玻璃應(yīng)力誘發(fā)的雙折射的特性來(lái)測(cè)量。甚至子彈打中它都不會(huì)碎。

后來(lái)，研究人員將荷蘭淚懸浮在透明液體中，然后用紅色的LED燈照亮該液滴。研究人員使用偏光鏡測(cè)量了光線穿過(guò)玻璃時(shí)的光學(xué)延遲，然后使用這些數(shù)據(jù)來(lái)解析整個(gè)魯珀特之淚中的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，液滴的頭部具有比以前認(rèn)為的高得多的表面壓縮應(yīng)力，最高可達(dá)700兆帕，這是大氣壓的近7,000倍。該表面壓縮層也很薄，約為液滴頭部直徑的10％。

來(lái)源：H. Aben; Appl. Phys. Lett. ?109, 231903 (2016) [4]

但是其原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。當(dāng)熔融的玻璃碰到水，外層會(huì)很快冷卻，而內(nèi)層仍保持熔融狀態(tài)。熱膨脹的作用使液體在變熱時(shí)膨脹，在冷卻時(shí)收縮。這意味著內(nèi)部的熔融玻璃正試圖在冷的外層向內(nèi)收縮的同時(shí)膨脹。當(dāng)整個(gè)過(guò)程結(jié)束時(shí)，這些相等的推拉力會(huì)在一條長(zhǎng)鏈中累積，該長(zhǎng)鏈從液滴的頭部延伸到尾部。水滴冷卻后，便會(huì)鎖定在這種高張力狀態(tài)下?[4]。有人會(huì)把它比作一個(gè)拱門(mén)：它的堅(jiān)固程度令人難以置信，但是如果它的任何一部分損壞了，整個(gè)魯珀特之淚就會(huì)破碎。不過(guò)這需要在高速相機(jī)上才能看到。

盡管它具有看似這兩個(gè)不可能在一個(gè)物體上出現(xiàn)的特性，但是魯珀特之淚的制作手法卻出奇的簡(jiǎn)單。就是將熔融玻璃滴入冷水中產(chǎn)生的玻璃珠，該玻璃珠會(huì)呈現(xiàn)蝌蚪狀，尾巴細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)。

為什么會(huì)用“魯珀特”來(lái)命名呢？據(jù)傳是查理一世國(guó)王的侄子魯珀特王子是1660年率先將這種奇特的玻璃制品帶到英格蘭的。這個(gè)小東西還被帶到了朝廷上，用來(lái)戲弄人，所以被稱為魯珀特之淚。[5]?不過(guò)據(jù)可靠的報(bào)道，這些玻璃最早可以追溯到1625年，那時(shí)就已經(jīng)在德國(guó)北部的梅克倫堡制造的。不過(guò)，也據(jù)稱它們是在荷蘭發(fā)明的，所以也叫荷蘭淚。

這玩意有啥用？

其實(shí)，荷蘭淚的制作過(guò)程中使用了淬火的方法。而淬火法生產(chǎn)鋼化玻璃可能受到了魯珀特之淚制作過(guò)程的啟發(fā)。

其實(shí)，這種魯珀特之淚自然界也有，至少?gòu)?9世紀(jì)開(kāi)始，人們就知道一定條件下在火山熔巖中會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于荷蘭淚的巖石。而在冰島大學(xué)等地的研究人員在實(shí)驗(yàn)室研究了荷蘭淚的爆炸性碎裂產(chǎn)生的玻璃顆粒，以更好地了解活火山中儲(chǔ)存的熱應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的巖漿碎裂和火山灰灰分的形成過(guò)程。[5]