子弹打不碎的玻璃 我能掰碎?

2019年12月15日 12:16 次阅读 稿源:中科院物理所 条评论

你是否会相信有一个特别不易破碎的物体,而与此同时,它又非常的脆弱,以至于特别容易破碎呢?而且,这个矛盾的东西仅仅是一块玻璃,一块被称为“鲁珀特之泪”(又被称为荷兰泪)的玻璃。

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易碎的玻璃灯泡

易碎的玻璃灯泡

小编反正是不相信的,什么东西能够既容易碎,又不容易碎呢?更何况,它还只是一块易碎的玻璃。

什么是玻璃?What is glass?

我们知道,固体物质一般可以分为晶体和非晶体。晶体是指在微观结构上粒子作周期性排列的固体,换句话说就是一个最小周期在一个方向上多次重复出现。而包括像雪花、钻石和食盐这种是大的单晶,而大部分金属、陶瓷等都是多晶(多晶是由两个以上单晶组成的结晶物质)。


美丽的钻石是单晶

非晶体主要特征就是没有晶体的长程有序性特征,内部粒子间的结合是无规则的。而玻璃是最常见的一种非晶体。广义上讲,”玻璃“包含了在原子尺度上具有非晶态结构并且在加热向液态转变时表现出的玻璃态转化过程。

玻璃由于种类的不同其化学成分差异很大,不过一般可以分为二氧化硅玻璃和特殊玻璃。其中大部分属于前一类。这种玻璃主要由沙子(主要成分二氧化硅)、石灰石(主要成分碳酸钙)和碳酸钠制成。虽然熔融的二氧化硅本身就是一种极好的玻璃,但是二氧化硅的熔点是1700多摄氏度,达到如此高的熔点所需要的能量非常大,也就会使玻璃售价非常昂贵(比如一些熔石英的光学镜片,价格比普通玻璃贵的多)。

玻璃瓶生产流水线

玻璃瓶生产流水线

所以在制作普通玻璃时加入碳酸钠作为助熔剂是为了降低二氧化硅的熔点,通过向二氧化硅中加入约25%的氧化钠,可以将二氧化硅的熔点从1700多摄氏度降低到850摄氏度,但是这种玻璃又很容易溶于水(这种溶液叫水玻璃)。所以要加入氧化钙使玻璃不易溶。[3]

这可能是一种玻璃球的制作过程

这可能是一种玻璃球的制作过程

给玻璃着色的试剂通常都是金属的氧化物。相同的氧化物在不同的玻璃混合物中会产生不同的颜色,并且相同金属的不同氧化物也可以产生不同的颜色。比如钴的蓝紫色,铬的绿色或黄色,氧化亚铁根据与之混合的玻璃产生橄榄绿色或淡蓝色。在玻璃杯中加入细碎的木炭会产生黄色。碲似乎呈现淡粉色。铜会产生孔雀蓝,如果增加氧化铜的比例,则会变成绿色。

鲁珀特之泪有什么奇特之处?


鲁珀特之泪的本尊

那么,这个蝌蚪状的玻璃有什么奇特之处呢?(感觉就像一个挂件?)


脆弱的尾部

头部非常坚硬,尾部非常脆弱。在切断它的尾部时,由于内部张力无法维持而导致爆炸性破碎,鲁珀特之泪在当尾巴被切断时,会爆炸性的分解成粉末。而其第二个特性是头部具有异常的强度,如果单单给其头部施压,可以承受15000牛顿的力。这其实是由于头部外表面附近存在巨大的残余应力导致的,这种应力分布可以通过使用玻璃应力诱发的双折射的特性来测量。甚至子弹打中它都不会碎。

被子弹击中头的鲁珀特之泪

被子弹击中头的鲁珀特之泪

后来,研究人员将荷兰泪悬浮在透明液体中,然后用红色的LED灯照亮该液滴。研究人员使用偏光镜测量了光线穿过玻璃时的光学延迟,然后使用这些数据来解析整个鲁珀特之泪中的应力分布。结果表明,液滴的头部具有比以前认为的高得多的表面压缩应力,最高可达700兆帕,这是大气压的近7,000倍。该表面压缩层也很薄,约为液滴头部直径的10%。


来源:H。 Aben; Appl。 Phys。 Lett。 109, 231903 (2016)

但是其原理其实很简单。当熔融的玻璃碰到水,外层会很快冷却,而内层仍保持熔融状态。热膨胀的作用使液体在变热时膨胀,在冷却时收缩。这意味着内部的熔融玻璃正试图在冷的外层向内收缩的同时膨胀。当整个过程结束时,这些相等的推拉力会在一条长链中累积,该长链从液滴的头部延伸到尾部。水滴冷却后,便会锁定在这种高张力状态下 [4]。有人会把它比作一个拱门:它的坚固程度令人难以置信,但是如果它的任何一部分损坏了,整个鲁珀特之泪就会破碎。不过这需要在高速相机上才能看到。


切断尾部都破碎

尽管它具有看似这两个不可能在一个物体上出现的特性,但是鲁珀特之泪的制作手法却出奇的简单。就是将熔融玻璃滴入冷水中产生的玻璃珠,该玻璃珠会呈现蝌蚪状,尾巴细长的形态。

制作鲁珀特之泪 来源:Youtube

制作鲁珀特之泪 来源:Youtube

为什么会用“鲁珀特”来命名呢?据传是查理一世国王的侄子鲁珀特王子是1660年率先将这种奇特的玻璃制品带到英格兰的。这个小东西还被带到了朝廷上,用来戏弄人,所以被称为鲁珀特之泪。不过据可靠的报道,这些玻璃最早可以追溯到1625年,那时就已经在德国北部的梅克伦堡制造的。不过,也据称它们是在荷兰发明的,所以也叫荷兰泪。

这玩意有啥用?

其实,荷兰泪的制作过程中使用了淬火的方法。而淬火法生产钢化玻璃可能受到了鲁珀特之泪制作过程的启发。

其实,这种鲁珀特之泪自然界也有,至少从19世纪开始,人们就知道一定条件下在火山熔岩中会产生类似于荷兰泪的岩石。而在冰岛大学等地的研究人员在实验室研究了荷兰泪的爆炸性碎裂产生的玻璃颗粒,以更好地了解活火山中储存的热应力驱动的岩浆碎裂和火山灰灰分的形成过程。


熔岩形成的类似结构

没想到一块玻璃也可以既易碎又坚固的矛盾统一体,你还知道有什么这样的东西嘛?可以在留言区和大家分享一下~

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