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(qiáng)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(qiáng)度（compressive strength），抗壓強(qiáng)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(qiáng)度高達(dá) 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(jī)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(jìn)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(qiáng)度增加變緊實，皺紋不能深入球狀肉包臉內(nèi)部的緣故吧。




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圖文簡介

你吃的硬糖都是玻璃，所以能做成迷惑科學(xué)家400年的超硬玩具