撰文 七君

大家試過剪玻璃嗎？

這不是天方夜譚。其實玻璃可以用剪刀剪哦，但需要在水下操作。

先看下演示（小朋友不要在沒有成人指導的情況下嘗試）——







這段簡單的視頻被近百萬網友圍觀，許多人不太明白為什麼水下就可以輕鬆剪玻璃了。



實際上，利用水切割玻璃的技術有數百年的歷史。莫納什大學的工程師?Ralph Klimek介紹，以前的玻璃工就常用這招像剪窗花一樣剪玻璃。沒有水的時候，他們會用口水潤濕的手指摩擦玻璃，然後再剪。

中世紀的時候，工匠們在切割玻璃時會把玻璃表面潤濕，也是運用了相同的原理。現在的玻璃廠在切割時也會用到水。



中世紀人們先用燒熱的鐵棒把潤濕的玻璃切成大塊，然後再對玻璃的邊角進行處理。圖片來源：Katie Harrison

所以水下剪玻璃到底是什麼原理呢？

我們在電影裡常看到，盜賊用鑽石戒指或是碳化鎢玻璃刀切割放置貴重藏品的玻璃罩，這是因為鑽石和碳化鎢比玻璃硬得多（碳化鎢的莫氏硬度是9.5左右，鑽石是10，普通玻璃是6左右），因此可以在施加很少的力的情況下把玻璃剌開。





007電影Skyfall中用玻璃刀切割玻璃的一幕

如果沒有鑽石那樣硬的東西，要讓玻璃碎裂，就要施加很大的力，比如用拳頭砸。巨大的應力會讓玻璃的裂痕不受控制，因而無法實現精準切割。所以精準切割的關鍵就是用小力 硬物。





真的鑽石硬度大於普通玻璃，因此可以再玻璃上留下刮痕。

但是眾所周知，普通剪刀很難劃破玻璃，為什麼在水下就能做到了呢？

簡單來說，水為剪刀加持了魔法化學buff，相當於讓剪刀一下子硬上了20倍。

這件事要從玻璃的構成說起。玻璃的主要成分是二氧化矽，矽和氧形成了一個四面體的結構，四個氧原子包著一個矽原子。下圖中矽原子和氧原子之間的棒槌就是讓它們結合的共價鍵。



不過，四面體二氧化矽有一個特點，那就是容易受到水中氫氧根（OH–）的親核攻擊：矽原子更容易受到氫氧根的吸引，因此矽氧之間的公價鍵很容易被氫氧根打斷。這個過程就是玻璃的水解。玻璃被研究得挺多的一種腐蝕反應就是氫氧根的水解作用。



從下面的圖中你可以看到，經過氫氧根的插足，玻璃分子原本的結構被破壞了，矽原子和氧原子的緊密關係完全裂開。



水中的氫氧根可以切開矽氧鍵。圖片來源：（DOI）10.1111/j.1151-2916.1983.tb15715.x

也就是說，你只要剪到圖左的程度，水就會幫你再砍一刀，幫你把兩個二氧化矽分子免費拆開。這麼一來，切割玻璃所需的能量就減少了。美國能源部的材料化學家?Terry A. Michalske?介紹，實際上，氫氧根的水解作用讓玻璃破裂所需的能量減少20倍。



因為造成水解的元兇是氫氧根，所以直接上鹼性液體的話水解的速度會更快。這就是為什麼玻璃師傅有時也會用氨水、燒鹼、蘇打水什麼的切玻璃。

玻璃還會被水泡破這件事會讓挺多人感到意外。所以問題來了，平時我們用來喝水的玻璃杯為什麼不會破呢？

這首先是因為完好的玻璃器皿上沒有裂痕，沒有氫氧根攻擊的明顯弱點。二是因為在室溫下，水裡的氫氧根不太多。因此在室溫下，完好的玻璃的水解速度相當緩慢，泡在pH值在8以下的溶液裡，二氧化矽玻璃每年才水解10納米。



因為長期接觸硬水（鹼性水）而變模糊的玻璃器皿（右） 圖片來源：heritage auction

但是如果玻璃杯已經出現了細小的裂痕，或者經常被用來盛放鹼性高溫液體，那麼玻璃容器的水解速度就會變快。一些永久了的玻璃杯表面並不清透，看起來有一層白霧，怎麼洗也洗不幹凈，這就是水解等腐蝕作用留下的痕跡。

另一個常見現象也和水解作用有關。因為水和鹼性物質對水泥中二氧化矽的腐蝕，上了年紀的水泥也會膨脹裂開，這在業界被稱為「混凝土的癌症」（concrete cancer）。

得了癌症的水泥建築沒有挽救措施，只能推倒重建。包括加拿大皮克靈核電站A、英國千年球場在內的重要建築都是因為水造成的「癌症」而部分或全部報廢的。



混凝土的癌症 圖片來源：wikipedia

不僅是二氧化矽，矽單質也容易受到水和鹼性液體的攻擊，因此半導體行業製造晶元的工廠也對鹼性物體污染有很高的防護要求。

總之你懂了吧，不在潮呼呼的廁所裡玩手機，是對手機晶元的基本尊重。

來一波三連吧！

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無標註圖片來源網路。

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