把科学带回家
2020-03-22
本文由《万物》杂志官方微信
“把科学带回家”提供
不知道你们记不记得，有一次小编在家（闲的无聊）不是研究了如何正确的倒牛奶嘛？但是小编最后还是觉得需要记住正反面太麻烦了（懒）。于是选择了玻璃瓶装的牛奶。
喝牛奶的小编就在早上小编开开心心喝牛奶的时候，意外的事情还是发生了。前一秒还在小编手中紧紧握着的牛奶瓶，就突然在小编的视线里滑下去了，在不到一秒钟的时间里，瓶子在空中做自由落体运动掉到了地上。
瓶子就像这样下落，由头发方向判定是下落
在“砰”的一声中，瓶子结束了短暂的一生。望着散落一地的玻璃碎片（还好牛奶在最后一秒喝完了），小编陷入了惶恐与沉思。惶恐的是感觉要被麻麻制裁了，而沉思的是如果我能把碎片粘起来恢复原状岂不美哉？
我们都知道，玻璃的制造历史很悠久，甚至可以追溯到公元前3600年。而考古证据表明，目前发现最早的玻璃杯是在叙利亚北部沿海地区发现的。与陶瓷和金属比起来，中国的玻璃制品起步较晚。考古证据表明中国最早的玻璃制品可能出自战国时期。
其实对于玻璃这种比较“脆”的材料来说，破碎或者断裂过程一般都可以进行简化，比如简化成晶体。当发生破碎或者断裂时，粒子之间的化学键断开，从而形成两个新的表面，如下图所示。如果是破碎的话，就是裂开的地方变多了。
断裂的晶格
来源：[2]
我们日常生活中一般都会看到哪些破碎的场景呢？（不过可想而知大部分应该都是玻璃制品）
落地的酒杯
破碎的鲁珀特之泪（感觉世界线收束了）
你不要过来啊，石头
破碎（也可能是恢复原状）的灯泡
不太完美的熔接技术
知道了裂开的原因，是不是就可以紧锣密鼓的开始想办法怎么样才能把断开的化学键拼回去呢？
小编首先想到的是：胶带！
感觉完全困不住猫咪的胶带
但是这种只是表面上将两个物体粘起来了而已。如果不看胶带的话，二者的断裂面依然是你行我素，并不是真正的融合。
这就好比，两个人的关系需要第三个人来维持，不过第三人能力较差，不能让两人恢复如初，只能硬撑着连结两人。那你们的关系也就可想而知了，只是表面上“坐”在了同一个空间罢了。
更进一步的话，小编想到了胶水！
胶水
还有比较常用的电焊。
电焊
但是胶水和电焊依然是在二者的空隙中借助其他物质来保持连接，也就是可以明显的看出分界点，或者连接部分过于明显。也不是真正的破镜重圆，恢复如初。
这可如何是好，真的就再也回不去了吗？
完美的“重圆”
Perfect "recovery"
那有没有什么办法可以真正做到回到从前，回到记忆中的模样呢？
答案是有的。那就是今天的主角——冷汗，哦不对，是冷焊技术。冷焊技术其实是一种将固体与固体连接起来的焊接技术。与传统的熔融焊接工艺不同的是，冷焊技术在焊接过程中是不存在液相或者熔融相的。
早在18世纪初就发现了冷焊技术。当时Desagulierss演示了如果将两个大约25mm的铅球压在一起，它们之间就会连接。如果在压之前去除表面的氧化物，它们就可以永久的“焊接”在一起，这时你也不会发现明显的焊缝，因为它们已经合二为一，其强度也比其他焊接方法强的多。
已经焊接在一起的两个铅球
引用理查德·费曼先生对冷焊的评论来解释一下冷焊的成因：
“发生这种行为的原因是，当接触的原子都是同一种类时，原子就无法‘知道’它们是否位于不同的铜片中。当存在其他原子时，在它们之间存在氧化物、油脂以及更复杂的污染物时，原子‘知道’它们不在同一个部分。”
[3]
所以在冷焊之前，一般需要去除接触面的氧化层。
概括地说，冷焊其实就是在人为的控制原子的扩散—原子在两个固体之间的接触面间互相渗透。最终可以使得两个个体融合为一个。
兴奋的小编
哇，这是不是就算比较完美的“重圆”了呢？
随着技术的进步，科学家发现纳米金线可以通过机械接触在极低的压力下几秒钟内就可以很快的连接在一起。在高分辨率电子显微镜观察下，焊缝几乎完美，焊缝左右基本具有相同的强度与电导率等。
[4]
准备接触的纳米线
来源：[4]
总之，“破镜”能不能“重圆”完全取决于你们是否真的“合适”，比如一块玻璃与一块木头，想要完美合一恐怕困难的多？
当然就算是真的“合适”，重圆也是需要一定的方式方法的，就像虽然“你们”之间可以进行冷焊，如果你们还是用电焊的话，那么当然再也回不到从前那样亲密无间的样子了。
所以，想重圆的话，既要“合适”，又要讲究适当的方法哦。
这里举一个不那么恰当的例子，在海绵宝宝关于吹泡泡的那一集中，如果你没有运用合适的方法，比如章鱼哥，就会得到下面这种情形：
死活吹不出大泡泡的章鱼哥
而我们的海绵宝宝一直在运用合适、恰当的方法和准备动作，当然就可以吹出大泡泡，甚至是“奇迹泡泡”（还未找到科学依据）。
运用适当方法吹大泡泡的海绵宝宝
补充
Supplement
你们谁还记得，小编好像一开始是在研究怎么把玻璃瓶子粘回去的？
趁着大家还没发现，赶紧跑路
部分图片来源于网络与giphy
参考文献：
[1] History of glass-wiki
[2] An ab initio study of the cleavage anisotropy in silicon-Acta Materialia
[3] Richard Feynman, The Feynman Lectures, 12–2 Friction
[4] Lu, Yang; Huang, Jian Yu; Wang, Chao; Sun, Shouheng; Lou, Jun (2010). "Cold welding of ultrathin gold nanowires". Nature Nanotechnology. 5(3): 218–224.
编辑：井上菌
来源：中科院物理所
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