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2020-09-17 09:41
百万网友围观剪玻璃,其实这是流传了数百年的化学技术

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,头图来自:视觉中国


大家试过剪玻璃吗?


这不是天方夜谭。其实玻璃可以用剪刀剪哦,但需要在水下操作。


先看下演示(小朋友不要在没有成人指导的情况下尝试)——





这段简单的视频被近百万网友围观,许多人不太明白为什么水下就可以轻松剪玻璃了。



实际上,利用水切割玻璃的技术有数百年的历史。莫纳什大学的工程师 Ralph Klimek 介绍,以前的玻璃工就常用这招像剪窗花一样剪玻璃。没有水的时候,他们会用口水润湿的手指摩擦玻璃,然后再剪。


中世纪的时候,工匠们在切割玻璃时会把玻璃表面润湿,也是运用了相同的原理。现在的玻璃厂在切割时也会用到水。


中世纪人们先用烧热的铁棒把润湿的玻璃切成大块,然后再对玻璃的边角进行处理。图片来源:Katie Harrison


所以水下剪玻璃到底是什么原理呢?


我们在电影里常看到,盗贼用钻石戒指或是碳化钨玻璃刀切割放置贵重藏品的玻璃罩,这是因为钻石和碳化钨比玻璃硬得多(碳化钨的莫氏硬度是9.5左右,钻石是10,普通玻璃是6左右),因此可以在施加很少的力的情况下把玻璃剌开。



007电影Skyfall中用玻璃刀切割玻璃的一幕


如果没有钻石那样硬的东西,要让玻璃碎裂,就要施加很大的力,比如用拳头砸。巨大的应力会让玻璃的裂痕不受控制,因而无法实现精准切割。所以精准切割的关键就是用小力+硬物。



真的钻石硬度大于普通玻璃,因此可以在玻璃上留下刮痕。


但是众所周知,普通剪刀很难划破玻璃,为什么在水下就能做到了呢?


简单来说,水为剪刀加持了魔法化学buff,相当于让剪刀一下子硬上了20倍。


这件事要从玻璃的构成说起。玻璃的主要成分是二氧化硅,硅和氧形成了一个四面体的结构,四个氧原子包着一个硅原子。下图中硅原子和氧原子之间的棒槌就是让它们结合的共价键。



不过,四面体二氧化硅有一个特点,那就是容易受到水中氢氧根(OH亲核攻击:硅原子更容易受到氢氧根的吸引,因此硅氧之间的公价键很容易被氢氧根打断。这个过程就是玻璃的水解。玻璃被研究得挺多的一种腐蚀反应就是氢氧根的水解作用。



从下面的图中你可以看到,经过氢氧根的插足,玻璃分子原本的结构被破坏了,硅原子和氧原子的紧密关系完全裂开。


水中的氢氧根可以切开硅氧键。图片来源:(DOI)10.1111/j.1151-2916.1983.tb15715.x


也就是说,你只要剪到图左的程度,水就会帮你再砍一刀,帮你把两个二氧化硅分子免费拆开。这么一来,切割玻璃所需的能量就减少了。美国能源部的材料化学家 Terry A. Michalske 介绍,实际上,氢氧根的水解作用让玻璃破裂所需的能量减少20倍



因为造成水解的元凶是氢氧根,所以直接上碱性液体的话水解的速度会更快。这就是为什么玻璃师傅有时也会用氨水、烧碱、苏打水什么的切玻璃。


玻璃还会被水泡破这件事会让挺多人感到意外。所以问题来了,平时我们用来喝水的玻璃杯为什么不会破呢?


这首先是因为完好的玻璃器皿上没有裂痕,没有氢氧根攻击的明显弱点。二是因为在室温下,水里的氢氧根不太多。因此在室温下,完好的玻璃的水解速度相当缓慢,泡在pH值在8以下的溶液里,二氧化硅玻璃每年才水解10纳米。


因为长期接触硬水(碱性水)而变模糊的玻璃器皿(右) 图片来源:heritage auction


但是如果玻璃杯已经出现了细小的裂痕,或者经常被用来盛放碱性高温液体,那么玻璃容器的水解速度就会变快。一些用久了的玻璃杯表面并不清透,看起来有一层白雾,怎么洗也洗不干净,这就是水解等腐蚀作用留下的痕迹。


另一个常见现象也和水解作用有关。因为水和碱性物质对水泥中二氧化硅的腐蚀,上了年纪的水泥也会膨胀裂开,这在业界被称为“混凝土的癌症”(concrete cancer)


得了癌症的水泥建筑没有挽救措施,只能推倒重建。包括加拿大皮克灵核电站A、英国千年球场在内的重要建筑都是因为水造成的“癌症”而部分或全部报废的。


混凝土的癌症 图片来源:wikipedia


不仅是二氧化硅,硅单质也容易受到水和碱性液体的攻击,因此半导体行业制造芯片的工厂也对碱性物体污染有很高的防护要求。


总之你懂了吧,不在潮呼呼的厕所里玩手机,是对手机芯片的基本尊重。


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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