你吃的硬糖都是玻璃,所以能做成迷惑科学家400年的超硬玩具

作者: 实验君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2019-09-06

水果硬糖其实是材料学意义上的玻璃,可以用来制作鲁珀特之泪,一种困扰科学家400年的超硬玩具。鲁珀特之泪的头部抗压强度极高,但尾部脆弱,其制作过程和物理原理揭示了非晶态材料的特性。

你一定没想到,水果硬糖其实都是材料学意义上的玻璃。正因为水果硬糖是玻璃,所以我们可以把它们做成一种历史上困扰了科学家400年的著名玩具——鲁珀特之泪。

鲁珀特之泪抗子弹关键概念非晶态材料、压应力。材料和操作白糖 / 水果硬糖水玉米糖浆(可选)榔头。在锅内倒入白糖和玉米糖浆(或硬糖),放入适量水,加热让糖浆变稠。想要让糖浆变成玻璃,糖的浓度必须高于85%。

浓度在65%以下的糖浆是液体,糖分子在液体中无序分布,还可以随便跑来跑去;高温时(高于玻璃化温度),浓度在85-95%之间的糖水是无定形液体(amorphous liquid),正要向玻璃转变。无定形指的是,由于分子流动性很低,所以无法结晶,内部的原子不像晶体那样规律排列,大家比较散漫随便排一排。

浓度大于95%的糖浆里的糖分子几乎不能流动,变成了固体——糖玻璃,或者说无定形体,非晶形固体。晶体(左)和非晶形固体(右)的微观差别。我们平常吃的水果硬糖就属于无定形体,也就是材料学意义上的玻璃。

得到了高浓度的糖浆,就可以开始制造鲁伯特之泪了。准备一杯水(可以用冰水),把融化的糖浆滴入冰水中,然后把凝结的固体拿出来,那就是鲁珀特之泪了。

其实我们吃的糖可以分成3类。一类是晶态的糖,比如冰糖,白砂糖。这种糖里,原子有序排列,形成了晶格。而第二类,就是水果硬糖一类的非晶态糖,或者说玻璃。因为玻璃的定义就是非晶态的,无定形固体。除了水果硬糖,棉花糖、焦糖、太妃糖也是非晶态的。第三类就是半晶态糖,比如里面有颗粒(结晶)的焦糖等。

至于鲁珀特之泪,如果你用榔头敲鲁珀特之泪的头,它很难碎。但是剪它的尾巴,它一下子就碎了。鲁珀特之泪是一个有400年历史的奇特玩具。17世纪时,莱茵河的鲁普莱希特亲王把它从欧洲大陆带给英国的查理二世,想让英国皇家学会的科学家解释一下这个东东为什么有这么奇怪的性质。

鲁珀特之泪头部的强度是因为,滚烫的玻璃被滴入水中时,玻璃表面迅速冷却变成固体,而还火热的内部却要缓慢变成固体。在内部变硬的过程中,对玻璃表面形成了拉扯,产生了巨大的抗压强度(compressive strength),抗压强度就是支撑石拱桥的那种力。玻璃鲁珀特之泪头部的抗压强度高达400-700兆帕,是大气压的4000-7000倍,可以媲美钢铁,因此特别坚固。

根据Chandrasekar他们的测量,尾部裂痕向头部的传播速度是每秒1900米。看完鲁珀特之泪的原理我们明白,东北人皮肤好,大概就是因为室内外温差大,这出门一冷一热,让皮肤的抗压强度增加变紧实,皱纹不能深入球状肉包脸内部的缘故吧。

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