你一定沒想到,水果硬糖其實都是材料學(xué)意義上的玻璃。
正因為水果硬糖是玻璃,所以我們可以把它們...
做成一種歷史上困擾了科學(xué)家400年的著名玩具——魯珀特之淚。
魯珀特之淚抗子彈
關(guān)鍵概念
非晶態(tài)材料、壓應(yīng)力
材料和操作
白糖 / 水果硬糖
水
玉米糖漿(可選)
榔頭
1 在鍋內(nèi)倒入白糖和玉米糖漿(或硬糖),放入適量水,加熱讓糖漿變稠。
想要讓糖漿變成玻璃,糖的濃度必須高于85%。
操作原理:
濃度在65%以下的糖漿是液體,糖分子在液體中無序分布,還可以隨便跑來跑去;高溫時(高于玻璃化溫度),濃度在85-95%之間的糖水是無定形液體(amorphous liquid),正要向玻璃轉(zhuǎn)變。
無定形指的是,由于分子流動性很低,所以無法結(jié)晶,內(nèi)部的原子不像晶體那樣規(guī)律排列,大家比較散漫隨便排一排。
濃度大于95%的糖漿里的糖分子幾乎不能流動,變成了固體——糖玻璃,或者說無定形體,非晶形固體。
晶體(左)和非晶形固體(右)的微觀差別
我們平常吃的水果硬糖就屬于無定形體,也就是材料學(xué)意義上的玻璃。之前我們介紹過,過去的舞臺用來替代玻璃的道具就是糖玻璃做的。
另外,加入玉米糖漿是為了增加白糖(蔗糖)結(jié)晶的難度,讓糖漿更容易變成玻璃。
2 得到了高濃度的糖漿,就可以開始制造魯伯特之淚了。
準(zhǔn)備一杯水(可以用冰水),把融化的糖漿滴入冰水中,然后把凝結(jié)的固體拿出來,那就是魯珀特之淚了。
注意:因為這種情況下得到的糖是一種玻璃,所以碎了的話有可能會切傷手,操作時最好戴上手套。
3現(xiàn)在,可以嘗試用榔頭錘魯珀特之淚的圓球部分,看看要多大的力才能把它錘碎。然后用手鉗一下魯珀特之淚的尾巴,看看會發(fā)生什么事,是不是一下就碎了?為什么會這樣?
原理
其實我們吃的糖可以分成3類。
一類是晶態(tài)的糖,比如冰糖,白砂糖。這種糖里,原子有序排列,形成了晶格。
而第二類,就是水果硬糖一類的非晶態(tài)糖,或者說玻璃。因為玻璃的定義就是非晶態(tài)的,無定形固體。除了水果硬糖,棉花糖、焦糖、太妃糖也是非晶態(tài)的。
第三類就是半晶態(tài)糖,比如里面有顆粒(結(jié)晶)的焦糖等。
非晶態(tài)的糖漿,具有熔化的玻璃一樣的性質(zhì),所以可以像吹玻璃那樣制作吹糖人,也可以制作魯伯特之淚。
再告訴你一個有趣的知識。廣告里說的,只融在口,不融在手的巧克力,實際上是可可脂的第5種同質(zhì)異形體。
同質(zhì)異形體指的是,化學(xué)組成相同的物質(zhì),在不同的物理化學(xué)條件下形成的不同結(jié)構(gòu)的晶體。
可可脂一共有6種同質(zhì)異形體,而第5種的熔點是34攝氏度,接近體溫,因此可以在被放入口中的時候恰好融化,所以被吃貨推崇。
而讓可可脂結(jié)晶成第5種同質(zhì)異形體,則需要復(fù)雜的調(diào)溫(temperin)工藝。
至于魯珀特之淚,如果你用榔頭敲魯珀特之淚的頭,它很難碎。但是剪它的尾巴,它一下子就碎了。
魯珀特之淚是一個有400年歷史的奇特玩具。17世紀(jì)時,萊茵河的魯普萊希特親王把它從歐洲大陸帶給英國的查理二世,想讓英國皇家學(xué)會的科學(xué)家解釋一下這個東東為什么有這么奇怪的性質(zhì)。
魯珀特之淚頭部的強度是因為,滾燙的玻璃被滴入水中時,玻璃表面迅速冷卻變成固體,而還火熱的內(nèi)部卻要緩慢變成固體。在內(nèi)部變硬的過程中,對玻璃表面形成了拉扯,產(chǎn)生了巨大的抗壓強度(compressive strength),抗壓強度就是支撐石拱橋的那種力。
玻璃魯珀特之淚頭部的抗壓強度高達 400-700 兆帕,是大氣壓的 4000-7000 倍,可以媲美鋼鐵,因此特別堅固。
不過由于技術(shù)有限,直到最近,它的捏頭不爆,尾巴一捏就爆的原理才被揭開。
液壓機施加了20噸的力量,把魯伯特之類的頭部壓碎
@Hydraulic Press Channel
2016年,普渡大學(xué)的材料化學(xué)家 Srinivasan Chandrasekar 和劍橋大學(xué)的物理學(xué)家 Munawar Chaudhri 和同事發(fā)現(xiàn),要打碎魯珀特之淚,必須讓裂紋深入頭部。
但是頭部比較厚,即使有裂紋,也會在壓應(yīng)力的作用下緊壓在一起(想象一下你用腳把土地上的裂縫踩結(jié)實),因此頭部表面裂紋只會沿著玻璃滴表面發(fā)展。
但魯珀特之淚的尾部卻更薄更細(xì),裂紋很容易進入尾部中心的張力區(qū),并且順著那里蔓延到頭部的張力區(qū),從內(nèi)部將頭部瓦解。根據(jù)Chandrasekar 他們的測量,尾部裂痕向頭部的傳播速度是每秒1900米。
看完魯珀特之淚的原理我們明白,東北人皮膚好,大概就是因為室內(nèi)外溫差大,這出門一冷一熱,讓皮膚的抗壓強度增加變緊實,皺紋不能深入球狀肉包臉內(nèi)部的緣故吧。