子彈打不碎的玻璃，我能掰碎？_風聞

原創：中科院物理所

你是否會相信有一個特別不易破碎的物體，而與此同時，它又非常的脆弱，以至於特別容易破碎呢？而且，這個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。

易碎的玻璃燈泡

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

令小編吃驚

什麼是玻璃？

What is glass？

我們知道，固體物質一般可以分為晶體和非晶體。晶體是指在微觀結構上粒子作週期性排列的固體，換句話説就是一個最小週期在一個方向上多次重複出現。而包括像雪花、鑽石和食鹽這種是大的單晶，而大部分金屬、陶瓷等都是多晶（多晶是由兩個以上單晶組成的結晶物質）。[1]

美麗的鑽石是單晶

非晶體主要特徵就是沒有晶體的長程有序性特徵，內部粒子間的結合是無規則的。而玻璃是最常見的一種非晶體。廣義上講，”玻璃“包含了在原子尺度上具有非晶態結構並且在加熱向液態轉變時表現出的玻璃態轉化過程。[2]

重點是看玻璃杯QwQ

玻璃由於種類的不同其化學成分差異很大，不過一般可以分為二氧化硅玻璃和特殊玻璃。其中大部分屬於前一類。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）和碳酸鈉製成。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是1700多攝氏度，達到如此高的熔點所需要的能量非常大，也就會使玻璃售價非常昂貴（比如一些熔石英的光學鏡片，價格比普通玻璃貴的多）。

玻璃瓶生產流水線

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

這可能是一種玻璃球的製作過程

給玻璃着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產生不同的顏色，並且相同金屬的不同氧化物也可以產生不同的顏色。比如鈷的藍紫色，鉻的綠色或黃色，氧化亞鐵根據與之混合的玻璃產生橄欖綠色或淡藍色。在玻璃杯中加入細碎的木炭會產生黃色。碲似乎呈現淡粉色。銅會產生孔雀藍，如果增加氧化銅的比例，則會變成綠色。

帶有白色和金色琺琅裝飾的藍色玻璃酒杯，紐約布魯克林博物館

魯珀特之淚有什麼奇特之處？

What’s so strange about Rupert’s drop？

魯珀特之淚的本尊

那麼，這個蝌蚪狀的玻璃有什麼奇特之處呢？（感覺就像一個掛件？）

脆弱的尾部

頭部非常堅硬，尾部非常脆弱。在切斷它的尾部時，由於內部張力無法維持而導致爆炸性破碎，魯珀特之淚在當尾巴被切斷時，會爆炸性的分解成粉末。而其第二個特性是頭部具有異常的強度，如果單單給其頭部施壓，可以承受15000牛頓的力。這其實是由於頭部外表面附近存在巨大的殘餘應力導致的，這種應力分佈可以通過使用玻璃應力誘發的雙折射的特性來測量。甚至子彈打中它都不會碎。

被子彈擊中頭的魯珀特之淚

後來，研究人員將荷蘭淚懸浮在透明液體中，然後用紅色的LED燈照亮該液滴。研究人員使用偏光鏡測量了光線穿過玻璃時的光學延遲，然後使用這些數據來解析整個魯珀特之淚中的應力分佈。結果表明，液滴的頭部具有比以前認為的高得多的表面壓縮應力，最高可達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％。

來源：H. Aben; Appl. Phys. Lett.  109, 231903 (2016) [4]

但是其原理其實很簡單。當熔融的玻璃碰到水，外層會很快冷卻，而內層仍保持熔融狀態。熱膨脹的作用使液體在變熱時膨脹，在冷卻時收縮。這意味着內部的熔融玻璃正試圖在冷的外層向內收縮的同時膨脹。當整個過程結束時，這些相等的推拉力會在一條長鏈中累積，該長鏈從液滴的頭部延伸到尾部。水滴冷卻後，便會鎖定在這種高張力狀態下 [4]。有人會把它比作一個拱門：它的堅固程度令人難以置信，但是如果它的任何一部分損壞了，整個魯珀特之淚就會破碎。不過這需要在高速相機上才能看到。

切斷尾部都破碎

儘管它具有看似這兩個不可能在一個物體上出現的特性，但是魯珀特之淚的製作手法卻出奇的簡單。就是將熔融玻璃滴入冷水中產生的玻璃珠，該玻璃珠會呈現蝌蚪狀，尾巴細長的形態。

製作魯珀特之淚 來源：Youtube

為什麼會用“魯珀特”來命名呢？據傳是查理一世國王的侄子魯珀特王子是1660年率先將這種奇特的玻璃製品帶到英格蘭的。這個小東西還被帶到了朝廷上，用來戲弄人，所以被稱為魯珀特之淚。[5] 不過據可靠的報道，這些玻璃最早可以追溯到1625年，那時就已經在德國北部的梅克倫堡製造的。不過，也據稱它們是在荷蘭發明的，所以也叫荷蘭淚。

這玩意有啥用？

What’s the use of this stuff？

其實，荷蘭淚的製作過程中使用了淬火的方法。而淬火法生產鋼化玻璃可能受到了魯珀特之淚製作過程的啓發。

其實，這種魯珀特之淚自然界也有，至少從19世紀開始，人們就知道一定條件下在火山熔岩中會產生類似於荷蘭淚的岩石。而在冰島大學等地的研究人員在實驗室研究了荷蘭淚的爆炸性碎裂產生的玻璃顆粒，以更好地瞭解活火山中儲存的熱應力驅動的岩漿碎裂和火山灰灰分的形成過程。[5]

熔岩形成的類似結構

沒想到一塊玻璃也可以既易碎又堅固的矛盾統一體，你還知道有什麼這樣的東西嘛？可以在留言區和大家分享一下~

部分圖片來源於GIPHY

參考文獻：

[1] Crystal-維基百科 

[2] Glass-維基百科 

[3] Glass-britannica 

[4] Aben H, Anton J, Õis M, et al. On the extraordinary strength of Prince Rupert’s drops[J]. Applied Physics Letters, 2016, 109(23): 231903.

[5] 魯珀特之淚-維基百科