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宇宙中最微不足道的元素，竟讓美國(guó)人付出2500萬(wàn)美刀的代價(jià)？

2018-07-18 12:05:19 作者：讓紙_彈飛來(lái)源：果殼網(wǎng) 分享至：

宇宙中最“微不足道”的元素，能造成多大的損失？對(duì)加州納稅人而言，這個(gè)數(shù)字是，2500萬(wàn)美元。

舊金山-奧克蘭海灣大橋的東橋新橋，是加利福尼亞歷史上耗資規(guī)模最大的市政工程，也是吉尼斯世界紀(jì)錄中最寬的大橋。然而，一個(gè)宇宙中最“微不足道”的元素，讓大橋的造價(jià)徒升2500萬(wàn)美元，而且差點(diǎn)毀了這個(gè)龐然大物。這“微不足道”的元素，就是氫。

舊金山-奧克蘭海灣大橋圖片來(lái)源：Wikipedia commons氫元素在地球上無(wú)處不在，是構(gòu)成生命最為重要的元素之一。說(shuō)它最“微不足道”，是因?yàn)闅湓邮窃刂芷诒碇匈|(zhì)量最輕、體積最小的原子，很容易鉆進(jìn)其他材料當(dāng)中。就好比一個(gè)袋子里即使已經(jīng)裝滿了土豆，還是很容易再倒進(jìn)去許多大米一樣。鉆進(jìn)其他材料當(dāng)中的氫會(huì)影響這些材料的性能。當(dāng)金屬或合金材料處于氫濃度較高的環(huán)境中時(shí)，氫原子就會(huì)鉆進(jìn)這些材料，對(duì)它們?cè)斐刹豢赡孓D(zhuǎn)的氫損傷。

即便是在氫濃度較低的環(huán)境當(dāng)中，氫原子的“入侵”也會(huì)使金屬材料變脆，造成一種叫做“氫脆”的現(xiàn)象。前面提到的大橋事件就是氫脆干的好事。歷史上類似的事件還很多：直升機(jī)發(fā)生機(jī)毀人亡、油氣田發(fā)生井噴、正常行駛中汽車傳動(dòng)軸的突然斷裂，以及，二戰(zhàn)時(shí)的自由號(hào)貨船，停靠在港灣里就“莫名”被攔腰斬?cái)?hellip;…

攔腰折斷的自由號(hào)（圖片來(lái)源：Neil Boenzi, The New York Times）

氫脆可以使材料的塑性嚴(yán)重降低，同時(shí)即意味著會(huì)導(dǎo)致材料的脆性急劇增加。而脆的材料有著巨大的安全隱患。因?yàn)檫@種材料會(huì)在幾乎不發(fā)生任何形變的情況下產(chǎn)生瞬時(shí)的、毫無(wú)預(yù)兆的突然斷裂。人們很難對(duì)這種突然斷裂進(jìn)行預(yù)防，因此很容易造成重大安全事故。正是由于氫脆巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家們花費(fèi)了大量的精力對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了各方面的相關(guān)研究。

氫脆現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的？

也許你還能記得，金屬是由原子直接構(gòu)成的。同時(shí)，金屬通常又都是晶體。這意味著，構(gòu)成金屬的原子不是一盤散沙，它們更像是課堂里整整齊齊排排坐的小朋友，都規(guī)規(guī)矩矩的。但是，在現(xiàn)實(shí)的晶體中，并非所有原子都能像課堂上的小朋友那樣，踏實(shí)安分地待在自己的位置上?？傆行?ldquo;不守紀(jì)律”的原子，會(huì)破壞“晶體班級(jí)”規(guī)律整齊的課堂秩序，在晶體中形成缺陷，他們與氫脆現(xiàn)象都有密切關(guān)系。點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)是其中的兩種最基本的缺陷。

搗蛋鬼1號(hào)：點(diǎn)缺陷

特點(diǎn)：不是缺席，就是插班

理想晶體原子排列（手繪：戶一凡）

點(diǎn)缺陷有兩種：一種是空位，另一種是間隙原子。顧名思義，空位就是金屬原子的“缺席”，就像課堂里空出了一個(gè)座位；而間隙原子就是有外來(lái)原子“插班”，課堂擠進(jìn)了一名新同學(xué)。不論哪種情況，原本整齊的課堂秩序都被破壞了。對(duì)晶體來(lái)說(shuō)，就意味著晶體的性質(zhì)發(fā)生了變化。

點(diǎn)缺陷：空位（手繪：戶一凡）

點(diǎn)缺陷：間隙原子（手繪：戶一凡）

搗蛋鬼2號(hào)：位錯(cuò)

特點(diǎn)：群魔亂舞

位錯(cuò)，是晶體中的另一種缺陷，類似于頭發(fā)絲，是一種一維的缺陷。位錯(cuò)是金屬晶體中最重要的一種缺陷，直接影響著晶體的各種性能，尤其是力學(xué)性能。位錯(cuò)的尺寸非常小，直徑不到一納米，長(zhǎng)度可達(dá)幾十個(gè)微米。一納米約等于頭發(fā)直徑的十萬(wàn)分之一，肉眼根本看不見，必須利用電子顯微鏡在幾萬(wàn)倍的放大倍數(shù)下才能看到它的身影。

但是金屬材料中的位錯(cuò)卻非常的多——如果把一立方厘米的金屬中所有的位錯(cuò)接在一起，總長(zhǎng)度可以和地球的直徑相當(dāng)。在外力作用下，這些位錯(cuò)可以運(yùn)動(dòng)，相互交割，糾纏，簡(jiǎn)直就像群魔亂舞。正是這些位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)賦予了金屬材料良好的變形能力，反之，如果一種材料中的位錯(cuò)既少又不易運(yùn)動(dòng)，這種材料就很難發(fā)生變形。比如陶瓷，一摔即碎。

位錯(cuò)（手繪：戶一凡）

然而，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并不是一帆風(fēng)順的。材料中存在其它類型的缺陷，他們也會(huì)擾亂金屬中的原子排列秩序，讓位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的“路途”變得崎嶇坎坷：時(shí)而需要穿過(guò)泥潭，時(shí)而需要翻越高山。比如點(diǎn)缺陷就會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單來(lái)講，如果有大個(gè)兒的原子（比如碳或者氮）鉆進(jìn)材料中，他們形成的點(diǎn)缺陷可以像釘子一樣將位錯(cuò)牢牢地“釘扎住”，就像吉他上的琴弦被牢牢地固定在琴面上一樣。位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)就需要更大的力擺脫釘扎，材料變形更難了，于是給人的感覺是變得更脆，前面提到的突然斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也就提高了。

鉆進(jìn)金屬的大原子會(huì)釘住位錯(cuò)，限制它的運(yùn)動(dòng)（手繪：戶一凡）

但是，科學(xué)家一直認(rèn)為氫脆不是氫原子“釘住”位錯(cuò)造成的。因?yàn)闅湓訉?shí)在太小了。小巧靈活的身體使氫原子能“自由”地在金屬原子之間“流動(dòng)”。換句話說(shuō)，氫原子在金屬中形成的點(diǎn)缺陷沒法有效地“釘”住位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。相反，甚至有學(xué)者認(rèn)為“小巧靈活”的氫原子可以像潤(rùn)滑劑一樣幫助位錯(cuò)越過(guò)前方的障礙，讓位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更加順利。

氫原子讓位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更加順暢（手繪：戶一凡）

直到最近，由西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納中心解德剛等人發(fā)表在《自然-通訊》上的一項(xiàng)工作顛覆了人們的認(rèn)知。這項(xiàng)工作表明，至少在金屬鋁中，充氫并沒有對(duì)位錯(cuò)起“潤(rùn)滑”作用，反而是強(qiáng)烈的“釘扎”作用。這不是和前面氫原子無(wú)法釘扎位錯(cuò)的結(jié)論矛盾了嗎？你可能猜到了，這應(yīng)該是一種間接的影響：氫原子和金屬中的空位“抱成團(tuán)”，一起阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。這種“抱成團(tuán)”的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比大個(gè)兒原子更強(qiáng)烈的釘扎作用，從而讓材料變得更脆，更容易發(fā)生突然斷裂。這種氫原子和空位的抱團(tuán)是材料科學(xué)中的一種典型的“1+1>2”的現(xiàn)象。

“抱團(tuán)”的氫原子和空位牢牢地限制了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（手繪：戶一凡）

氫鼓泡也是材料殺手

除了氫脆，微納中心研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，鉆進(jìn)金屬鋁中的氫原子會(huì)讓金屬表面產(chǎn)生很多納米級(jí)的小凹坑，這些凹坑為氫原子的繼續(xù)聚集提供了便利。隨著凹坑不斷變大，氫原子越聚越多，就會(huì)把附著在金屬鋁表面的氧化膜“頂”起來(lái)，從而使材料表面出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。這些“氫鼓泡”會(huì)加速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的腐蝕和失效，也會(huì)使航天器太陽(yáng)帆板的反光能力大打折扣，影響飛行器的正常工作。

鋁表面的“氫鼓泡”現(xiàn)象（手繪：戶一凡）無(wú)論是被氫脆“折斷”的大橋和戰(zhàn)艦，還是被“氫鼓泡”損壞的飛機(jī)和航天器，都意味著巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。氫，這種宇宙中最“微不足道”的元素，可以是潔凈環(huán)保的理想燃料，也可以是百害而無(wú)一利的“材料殺手”。而科學(xué)研究，則是人們?cè)诿苤凶非笳嫦?、平衡利害的捷徑。這也是科學(xué)研究迷人魅力的一面吧。

其他人都在乖乖排隊(duì)的時(shí)候非要擾亂秩序強(qiáng)行插隊(duì)還自我感覺特別良好的你：