能抵御子弹的鲁珀特之泪,其实也是一触即碎的玻璃心呢

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-11-10

玻璃的秘密花园。

审核专家:吴宝俊,理论物理学博士。

我们每天都会和形形色色的玻璃打交道,大到建筑门窗,小到磨砂水杯,到处都有玻璃的踪迹。

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玻璃饰品,图片来源 youboy

置身于玻璃的世界,你对玻璃了解多少呢?从4000年前到今日,玻璃的根源与命脉又从何说起?

今天,让我们走进玻璃的秘密花园。

玻璃的千年之旅

玻璃常被认为是近代才出现的高科技材料,你可能想象不到,4000多年前的美索不达米亚和古埃及的遗迹里,都曾有小玻璃珠出土。

那个时期的玻璃大都是小玻璃珠,偶尔也有小玻璃碎片,科学家推测,这些玻璃可能是在极端气象条件(比如闪电)下天然形成的。

公元前15世纪,克里特岛、希腊迈锡尼、埃及、西亚等地区就开始生产玻璃。在亚历山大图书馆里甚至出现了制造玻璃的“指南”类书籍,可见当时的玻璃制作工艺已经很成熟。

与西方相比,中国的玻璃出现较晚,目前发现的最早玻璃制品来自春秋末期到战国初期。那时,玻璃又被称作“缪琳”“火齐”等。

有色玻璃同样自古就有,湖北江陵望山楚墓群1号墓出土的越王勾践剑上就镶有两块形状不同的蓝色玻璃。

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越王勾践剑上的蓝色玻璃,图片来源见水印

现在,生产玻璃已经非常容易,通常的流程是:先将石英砂等玻璃配合料在池窑或坩埚窑内进行高温加热,熔制成型后,经退火、淬火等一系列步骤制成。

但你知道吗,自然界中有很多天然形成的“玻璃”,比如珍珠岩、浮岩等。比如说珍珠岩,是火山喷发的酸性熔岩经急剧冷却而成的玻璃质岩石。

天然玻璃多是颗粒状,现代工业制造的玻璃那就形态各异了,不过,蝌蚪状的玻璃你见过吗?

超能玻璃鲁珀特之泪

有人说它是爱神的眼泪,它不似玻璃,确是玻璃,又或者说它是一块极富矛盾特质的“超能玻璃”,能承受巨大压力,轻轻一捏却又会粉身碎骨。

它就是神秘的鲁珀特之泪,又被称作“爱神之泪”。

与众不同的“爱神之泪”制作方法并不复杂,只要将高温熔化的玻璃靠重力自然滴入冰水中,靠着极大的温差,鲁珀特之泪就在“冰与火”中悄然绽放。

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鲁珀特之泪,图片来源 bucuo

为什么说它是“超能玻璃”呢?这是由于这种玻璃有着奇妙的物理特性。“泪珠”本身比一般玻璃坚硬很多,能承受巨大压力而不破碎,连子弹打击都不怕

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鲁珀特之泪能承受子弹打击,图片来源 baijiahao

然而,若是抓住其纤细的尾巴,稍微施加一些压力,那么整颗玻璃泪滴就会瞬间粉碎,它不是简单地破裂,而是“ 粉碎性骨折”。

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鲁珀特之泪破碎瞬间,图片来源 baijiahao

这是什么原理呢?

科学家用交叉偏振光镜观测到了它头部的压力分布很不均衡

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偏振光镜下的鲁珀特之泪,图片来源 baidu

当高温玻璃滴入冰水中时,玻璃表面迅速冷却形成外壳,而壳下的玻璃仍然是液态。等内部的玻璃凝固后,会拉着已经是固态的外壳收缩,一股极大的拉应力就此产生。

“头部”强大的“外压内拉”作用力决定了鲁珀特之泪强度很大,在液压机面前也毫无惧色,面对子弹依旧昂首挺胸。

但它的尾巴却特别脆弱,轻轻一捏,便会爆炸似的“粉身碎骨”。

交叉偏振光镜观测到了它尾部越靠近尖端压力越均衡,也就是说在整个鲁珀特之泪上,尾端的“外压内拉”是最不明显的,所以尾端抗打击能力是最弱的

这里还要讲到“裂纹扩展”原理,即当尾端外部遭到破坏时,原玻璃内残余应力迅速释放出来,裂纹以飞快的速度在其表面蔓延,玻璃瞬间化为粉末,营造出“爆炸”般的视觉效果。

这就是鲁珀特之泪矛盾特质的由来。

英雄色彩的“防弹玻璃”

当然,抗压能力强的玻璃并不是仅此一家。

1998年2月的一个夜晚,格鲁吉亚总统谢瓦尔德纳泽乘着一辆车,20多个杀手半路杀出,向其扫射并投掷手榴弹,谢瓦尔德纳泽却毫发无损。

原来,是车上特殊的防弹窗救了他一命。这种具有“英雄色彩”的新型玻璃就是“防弹玻璃”。

说起来防弹玻璃的组成不算复杂,它是由普通玻璃和优质工程塑料经特殊加工得到的一种复合型材料。

例如,在两块普通玻璃层中夹上聚碳酸酯材料层,就形成了一种比普通玻璃更厚的特殊玻璃。这种玻璃抗压能力强,可以承受巨大的冲击力,可用作防弹玻璃。

防弹玻璃的内部结构大致分为三层:承力层,过渡层,安全防护层。

当子弹射入防弹玻璃时,最外层的承力层被打碎,破坏弹头或改变弹头形状,削减部分子弹的能量

减慢的子弹击中内层较为柔韧的部分——过渡层时,被阻断了去路。子弹的动能转化为玻璃的弹性势能和碎片的能量,柔韧的“夹心层”凭借内部强大的张力,“以柔克刚”,挡住了气势汹汹的子弹。

最后一关就是安全防护层,在这里,绝大部分冲击能被吸收,保证子弹不能穿过此层。就这样,看似脆弱的玻璃挡住了威力巨大的子弹。

四千年前,人类偶然发现天然形成的玻璃碎片,接受了自然界带给我们的礼物。

在之后的漫长岁月里,人类从最原始的用天然形成的玻璃碎片做装饰物,到大量制作玻璃器皿和门窗,再到逐渐开发出具备各种特殊性能的特种玻璃,对玻璃的应用越来越广阔。

今天,玻璃在光伏发电领域的作用被科学家们发现,被誉为“新型节能采光材料”的低辐射玻璃应运而生。

或许,不久的将来我们会见到更多神奇的玻璃。


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