世界上最硬氣的魯伯特之淚,扛得住子彈和鐵鎚,為什麼…


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世界上最硬氣的魯伯特之淚,扛得住子彈和鐵鎚,為什麼一捏就碎?

玻璃製品給人留下的總是硬和脆兩種印象,它的硬度高達莫氏硬度6.5-7,一般用來銼削金屬的銼刀只能留下一個白痕,但它卻很脆弱,輕輕一榔頭就粉身碎骨!

但世上卻有一種製造工藝非常簡單,但卻能抗住子彈轟擊,甚至在十噸的液壓機下都能堅持不碎的玻璃製品,它就是大名鼎鼎的魯伯特之淚,而這種堅不可摧的製品卻有一個致命的弱點,輕輕一捏就四散崩裂!

魯伯特之淚到底是怎麼做出來的?

魯伯特之淚的製造工藝十分簡單,將融化的玻璃液滴落入冰冷的水中即可獲得,熾熱的玻璃液滴被水快速冷卻,有點像淬火過程,形成了一個水滴狀但拖這長長尾巴的透明玻璃製品。

它最奇特的特性是那個液滴的頭部可以用鐵鎚敲擊都不碎,甚至紋絲不動,但在它細長的尾部卻是整個玻璃製品的“罩門”,只要輕輕一捏,直接爆裂至粉碎。

這種玻璃製品最早在17世紀初就在荷蘭出現,1625年傳到了德國北部的梅克倫堡,歐洲出現的魯伯特之淚都是從這裡開始傳播的。 1660年,魯伯特親王將這種玻璃製品帶入了英國,他將這種玻璃液滴製品獻給了查爾斯二世國王,後者又將其轉交給皇家學會進行研究。

羅伯特·胡克對此作出了研究,大概闡述了這種液滴為什麼會從尾部碎裂的原因,荷蘭紐卡斯爾公爵夫人瑪格麗特·卡文迪許的研究結論則比較有趣,她認為堅固和容易碎裂的原因是內部有少許液體的原因。由於它的怪異特性,還被帶入宮廷以用來取笑那些迂腐、不學無術的老貴族。

魯伯特之淚到底有多硬?

它的硬度前文已經做過鋪墊了,這裡就不再贅述,來幾個動圖看看它到底有多誇張!

錘子敲不破

錘子敲不破一個小小的玻璃製品,這是在有些超出大家的想像。

子彈應聲而碎

這種材料實在是太NB了,能抗住子彈的轟擊。

被液壓機壓碎

不過請各位注意,它是在接近20噸的壓力下碎裂的,已經遠遠超出了一半玻璃製品的強度

被子彈擊碎

但不知道各位有沒有發現,魯伯特之淚並不是被擊碎的,而是子彈帶來的撞擊導致尾部過大的衝擊而碎裂,從而迅速傳播至整根魯伯特之淚,直接碎裂成粉末。

魯伯特之淚為什麼會有這種奇怪的特性?

17世紀的羅伯特·胡克拿到了魯伯特之淚後,仔細通過顯微光學仔細的研究了這種玻璃製品的結構,斷面的紋理以及外觀的紋路都仔細的刻畫了出來,想想當年的科學家真不容易,除了會理論研究外,至少還得有一項素描的基本技能,下圖中像印刷製品一樣的手繪作品,除了佩服還是佩服。

從羅伯特·胡克的結論:脆性材料由於裂紋的傳播而失效中已經窺見了魯伯特之淚原理,但局限於當時的條件,這個研究沒有進一步深入,這要到20世紀的工程師艾倫·阿諾德·格里菲斯(Alan Arnold Griffith)的工作才讓魯伯特之淚的特性廣為人知。

格里菲斯在金屬應力和斷裂上研究而聞名,特別是1917年發明的肥皂泡在代表研究對象邊緣的幾條線之間伸開,薄膜的著色顯示出應力的圖案的簡單方式,一直到現在還在廣泛使用,而魯伯特之淚的上的應力圖案就能很容看明白為什麼魯伯特之淚會有如此特性。

1994年,普渡大學的工程學教授Srinivasan Chandrasekar和劍橋大學材料小組的負責人Munawar Chaudhri使用超高速攝影技術觀察了魯伯特之淚的破碎過程,發現液滴表面承受高壓縮應力,內部承受高拉力,導致其不平衡狀態,形成了很容易折斷的尾巴。

2017年,該團隊的Hillar Aben在利用傳輸偏光鏡,用紅色測光的光學延遲LED當它穿過玻璃滴來構造整個液滴的應力分佈,在高達700兆帕斯卡的壓力下,液滴頭部具有比以前認為的高得多的表面壓縮應力,這個壓縮層很薄,只有直徑的10%,但它具有極高的強度,只有從後部尾巴張力擴張區域傳入內部的裂紋,才能進入頭部張緊區域,所以在一般情況下只能從後部碎裂,而且其碎裂速度高達每秒1450–1900米。

延伸閱讀:鋼化玻璃

魯伯特之淚的副產品就是鋼化玻璃,這個因為研究魯伯特之淚而發現玻璃在熱處理之後,強度能比退火玻璃強4~6倍,經過處理後的鋼化玻璃,輕微裂痕都會被應力所緊壓,而內層可能出現裂痕的可能性也比較低。

當然鋼化玻璃的碎裂和魯伯特之淚有些類似,它要么不碎,要么一起碎,而且碎裂後沒有大塊,相對而言比較安全,不過它也有個缺點,就是在一定條件下比如溫度驟降或者被尖銳物刺中可能會突然爆裂。