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性命之谜(廿三)指尖上的世界,了解身边物质千变万化的微结构

2021-01-24  天童老僧

触觉是我们认识世界的另一种方式。

俗话:眼见为实。但在这世界上能够欺骗眼睛的太多太多。象石材仿木、木材仿石、肉形石、食材假山、假花、假人、布景、3D技术……人类太聪明了,眼睛太容易受骗了,还好我们还有双手,可以通过触觉来检验真与假。

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著名的肉形石

世间诸物,有一万种形体就有一万种接触方式,就算有有质无形的也就有有形无质的。每一种物质的触感都是不一样的。触觉也可以神化,对于大家来说,印象最深的应该算是老版《西游记》里孙悟空悬丝诊脉一节吧?孙大圣仅凭三根毫毛变成的金线就测出了国王的试探,其实这是电视剧原创的剧情。但也是根据古代神医的传说改编的。传说有一种“摸骨人”,他们往往是瞎子,但光凭一双手对人进行“摸骨”,也能道尽对方的前生因缘,今世沉浮。

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悬丝诊脉

我们当然没有这样神奇的本领,但能够以触觉来判断物质的能力是每一个人都具有的。可我们有没有思考过这些物质的触觉为什么会如此不同呢?

这就要涉及微观世界了。因为各种物质的细微构成存在差异。

一、金属的结构

在当代这个科学昌明的社会,我们都知道,万物都是由原子构成的。但原子只是其基础,真正纯粹由单一原子组成的事物很少。就算存在,还要减去一部分无法用触觉感知的物质,如气体、等离子体,还有一部分不能触碰的物质,如碱金属,只要它们与空气接触马上就会被氧化,也就是说你碰到的已经是化合物了。

这样,我们真正能够触碰到的单质很少很少。黄金可以算一个,只是你遇到它的概率应该和彩票中奖是一样的。如果你能有心找到,记着用指尖掐一掐,看看是不是真货。黄金质软,也许这一掐就好几张毛爷爷了。

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天然金块

我们日常接触的其实是各种无机或者有机的化合物或者合金。如木材,其实也就是碳水化合物,我们的身体也是,最多加上钙和其他的一些微量元素。而加多了就成了石材。如果其他元素少些,水分多些,就成了凝胶,一种像固体却又有些液体性质的物质,果冻、未干的水泥、沥青都是。凝胶成为固体还是液体是依靠环境决定的。气温高些,里面的水份可能会蒸发,变成真正的固体,但如果太高了,把里面的固体部份如金属也熔了,就又成液体了。

金属是个特别的存在。有些朋友可能会认为钢铁是单质。其实不是,纯铁是很软的,几乎不能为人所用。事实上钢铁是铁碳合金。技师通过各种方式,把碳元素加入了铁里面。这就象在米里掺芝麻粉。等完全混合后就要比单一物质强得多。但它可是个真正的技术活。如果掺多了的话就是生铁,虽然硬但是脆。掺少了的话就是熟铁,还是很软。只有恰到好处的比例才能做到又硬又韧,这就是钢。但这个比例到底是多少,就更复杂了。你甚至还可以掺入钨、锰、铬等其他金属,以实现不同的金属性能。这里的秘密就太深了,现在很多也是国家机密。

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钢材结构

我们只需知道,但凡合金,都会比单一金属更硬。由铜锡合成的青铜和金银合金的首饰都是这样。这是因为金属原子也有大小之分,从这个层级它们与碳没什么区别。

你要用触觉把金属和木头、石头分辨出来很容易。因为金属有着更高的导热系数。也就是说,你刚接触它时会感觉很冷,但很快就会感觉到它的升温,不过只要你手一拿开就会降温。从这个角度来看,古人把女孩子称为“西方少阴”应该不光因为脂粉中有金属铅,真的是太形象了。

尽管在现实中几乎没有能像在武侠小说中那样将金铁搓圆揉扁的人。但我们也可以通过能否弯曲金属薄片来判断材质的金属性。金属一般都是能够多次弯折的。那是因为金属本身是由一个一个小粒的金属晶体组成。无论金属表面多么完美,这些晶体排列都是无序的。这也是使金属与翡翠、水晶这些晶体呈现不同的外观的原因。而金属晶体内部就有“位错”,那是偏离应该所在晶体位置的原子。金属晶体彼此间依靠“金属键”联结,但它们发生位移时却主要是依靠位错。当你扳折一个回形针时,都有数以百亿计的位错在移动。这就是金属所以能够多次反复拗折变形而不断裂的原因。对于有些含杂质又或者加工不良的金属,反复变形可能会让位错变大,进而断裂,这叫“塑性断裂”。这也是金属的一项特质。

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金属晶体位错

相应的就有“脆性断裂”,即物质象饼干一样,几乎不存在任何变形的折断。它主要发生在木材或者石材上面,而这些物质与金属的触感也有很大不同。

二、纤维和复合材料

木材的导热系数不象金属那么大,也就是说在冬天它不会象金属一样冻手,不会发生把你的舌头沾在上面拔不下来的悲剧。这是因为组成木材的不是金属晶体,而是一根又一根的木纤维。它也比金属更柔软一些。木纤维间多少有些空气,不像是金属晶体一样成“晶格状”紧挨着。让木头结合成一个整体的物质叫“木质素”。它是一种聚合物,将每一根木纤维紧紧拉着。其实我们可以通过切割、蒸煮,把木头打碎,把里面的木纤维解放出来。泡在水里的木纤维就是木浆。把它们捞起,摊平,晒干,我们就得到了纸。尽管我们眼睛看到的纸雪白光滑,但在显微镜下它就是一个乱柴垛。所以纸的本质还是木头,我们如果将它们折一下就会产生不会消失的折痕,这是因为其内部发生了脆性断裂。但纸不会断开,这是因为还是有足够的纤维没有被损坏,但只要在纸边缘上找到一个缺口用手一撕,你就会很轻易地又把柴垛分成两份。

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显微镜下的纸张

纸可以通过胶水再次变得像木头一样结实。但遗憾的是,现在它却不会象以前那样防水。因为纸里已经没有了木质素,而由氢键构成的胶水很容易被水所溶解。

从金属和纸的不同我们可以了解,将物体成型有整体和粘合两种方式。整体成型是整个物体内外都是一种结构,就象石材。而粘合成型则是将几个单位物体通过某种物质粘接起来。在这其中,对我们生活影响最大的莫过于混凝土。它就是依靠水泥作为粘接剂,将石子、钢筋、河沙粘贴成一个整体,这种物质我们也叫“复合材料”。

发明复合材料的目的就是为了改善整体成型材料的性能。陶碗过于粗糙,于是上一层釉就会变成感觉精致的瓷器。同样的方式也可以用在纸上,让其变成亮面纸,这样它们的边缘可以把人手指割伤。这样就改变了它们的触感。还有如果冻,软软的、肉肉的,就象液体。事实上它也的确是液体。只是这种液体被包裹在以食用明胶构筑的笼子里。而液体的表面张力又让它不会流淌出来。科学家聪明地用更牢固的二氧化硅取代了明胶,用液体溶剂如酒精之类取代了水。再将其放在高压高温的环境中,让里面的液体不经蒸发就直接汽化。这样我们就得到了重量极轻的气凝胶,这是一种划时代的发泡材料。将其托在手里感觉就象云朵一样轻柔。因为它具有强大的隔热性,在工业和食品领域都有很好的应用前景。

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气凝胶

有时复合材料也能聚为晶体,这就是孩子们常吃的巧克力,广告都说了的嘛:只溶你口,不融你手。这是因为组成巧克力的物质是大分子的可可脂。这种分子堆栈越密,它的结晶也就越结实,熔点也就越高,更硬,更稳定。而人们通过多次试验,找到了一个最佳配方,使巧克力正好能被人口腔中的温度所融解,也就是打断了晶体的分子链。而它是不会被手上的温度所融解的。当然,练了火系神功的除外。

三、在固体与液体之间

固体可以变成液体,液体也可以变成固体。塑料就是这种物质。世界最早的塑料叫赛璐璐,它的原料是火棉胶,是用木浆混合硝酸而成,又叫硝酸纤维。它干燥后成为固体,本来是用来替代象牙材料的,但其缺点是特别易燃,甚至两颗球高速撞击都会着火。后来发明者在里面加入了含樟脑的溶剂,这才改善了其性能。

塑料有很多种,第一种完全合成塑料的发明者是美国化学家利奥·贝克兰。20世纪初,他将两种液体混合在了一起,一种是酚类,来自桦木树脂。另一种是一种防腐液,也就是甲醛。它们合成的产品其实是一种强力粘合剂,因为生成的新分子有一个多余的化学键可以粘合更多的物体。当这些物质稳定凝固后,生成的就是坚固的塑料。后来人们就用苯酚和甲醛两种化学物质做成了双组分黏合剂,它的稳定性是如此可靠以至于可以用来制造飞机。

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利奥·贝克兰

塑料有软有硬,这是因为它们的分子组成方式既有坚固的立体结构,也有松软的链状结构。后者在同一根链条的内部接合力很强,但在两根链条之间的结合力却很弱。这样就决定了不同塑料的不同性能。更好的例子莫过于石墨与金刚石。人们是很晚才确定它们是同种物质,因为一个晶莹坚硬,另一个却乌黑柔软,性能天差地远。一直到1772年,近代化学之父拉瓦锡在毁灭了好几块价值不菲的钻石后才证实两者都是用碳构成的 。

钻石与石墨所以有着完全不同的硬度和外表,原因就在于组成钻石的碳原子构成了三维的晶塔结构,而石墨里的碳原子单体组成却是六边形环。其他物质也是一样,就象用绳子固定,无论是原子还是分子,由好几个方向固定的都会比单单从一两个方向固定的要稳定。如果某种物质只有一个方向固定。那就是个开口,可以从其他物体那里夺取分子或原子。如果这种物质能抓取的是油和水,那就是肥皂。

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钻石和石墨原子结构

肥皂总是滑滑的,因为它本来就是改性脂肪。传说世界上最早的肥皂就是公元前700年一个无意打翻油罐的厨师发明的。情急之下,他将草木灰洒在油脂上,将它们包起扔掉,然后他发现手变得特别干净,于是才有了肥皂的诞生。

当肥皂与油滴接触时,它分子里亲水的那头极力想摆脱油滴,而亲油的那头却插入油滴,两者作用下,就将油滴从要清洗的物体表面拔了出来,和肥皂分子一起溶于水中,物体就变得干净了。

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肥皂分子模型

混合了肥皂分子的水开始变得浑浊,用手拔弄也感觉开始粘稠。这是因为液体和固体也是一样的,里面分子越多的话也就越不好流动。有些物质很难判断它是固体还是液体。就象玻璃,曾经有个说法说它其实是液体,只是流动得特别慢,慢到亿万年才移动几个分子的样子。包括我在内,很多人相信过这说法。然而它其实是错的。玻璃的确有一些液体的特性,但它依然是固体,不会流动。真要过亿万年的话,它的表面可能变得粗糙,这叫“非玻化”,但这不是流动。但真正的看似固体实则液体的物质也有,那就是沥青。1927年,昆士兰大学的托马斯·帕内尔教授制作了一个装置,用以说明沥青的液体属性。它其实就是个装有沥青的开口漏斗。近一百年时间,沥青只滴下了九滴。差不多9年左右一滴。

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沥青滴落试验

四、神奇的液体

除了流动性外,液体还有很多固体没有的特性,比如它是很难压缩的,就象波浪,在某地有退潮,另一边就肯定有涨潮。这也就是液压机的工作原理。

一些液体比较容易蒸发,那就会带走热量,这使得它们摸起来会比其他液体凉一些,根据这个发明了用于冰箱制冷的氟里昂,但它的泄漏破坏了大气层。爱因斯坦曾想发明一种更安全的冰箱,但没有成功。其实有些固体溶化也可以产生同样的效果,如硝石。这是古人制冰的方法。

一些液体还有很强的腐蚀性,接触它会让你的皮肤疼痛。这就是酸碱溶液了。对于你的身体它们很危险。其中最有名的莫过于王水。它是硝酸与盐酸的混合物,其腐蚀性足以化掉金块。其实就是最普通的水也有一定腐蚀作用。不过这里应该叫“渗透”。我们每次洗澡,身体都有一小部分溶解在水里,我们的手指会起皱。这就是渗透的作用。

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泡水太久,手指起皱

但更危险的液体还有,例如水银。它具有很强的浮力。将它洒在地上,表面张力会使水银滴自已收缩成能滚来滚去的圆珠,很多金属,即使是金银,也能被水银融合,不是溶解,形成汞合金。这种金属特别坚硬,以前曾经拿来补牙。

但水银蒸气是有剧毒的,水银自身也好不到哪去。我们还是少接触为妙。有说它最擅长渗入伤口。但很多帝王将相用它来当防腐剂,里面最有名的就是秦始皇。

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有趣但危险的水银滴

以上这些就是我们能够接触到的大部分材料的微结构。当我们了解了它们后也许可以构想一些更神奇的新材料。比如一种能够在你手上迅速凝结成一次性手套的液体,又或者可以随体温变化颜色的布料。八十年代有一部科幻小说《波》,就是说通过发射各种的“波”来欺骗人们的感官,其中就包含光波、声波,带触觉的波也有。谁说它们就一定只是幻想呢?这不就是佛教所谓的“万法皆空”吗?


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