什么是最软的东西,不妨听听这四位材料学家的想法

生活

03-30 09:32

说到最硬的东西,你会想到什么物质,相信绝大部分人第一反应就是金刚石,或者被称为钻石。上初中物理的时候,课本上就提到了人类对物体硬度划分的标准——莫氏硬度表,它以地球上最硬的天然物质金刚石为标准。通过划痕判断对比判断不同物质的硬度,硬度越低,金刚石划过后划痕越深。

在材料学中,对硬度的定义是「固体材料抗拒永久形变的特性」,但对柔软度并没有具体的定义。柔软度就是将硬度反过来吗,我们该如何评判物体的柔软度,柔软度和哪些因素有关,有没有一个较为客观中立的答案呢?有外媒采访了四位材料学家,我们不妨听听他们对柔软的理解。

柔软度与物体压痕深度和接触面积相关

特拉华大学材料科学与生物医学工程助理教授 Charles Dhong 认为,人类对柔软度的判断,并不依赖于单一的材料特性「比如弹性模量」。我们对事物柔软度的判断,既与材料抗形变的属性相关,也和该物体的形状相关。

比如说,当我们触摸材料并感知其柔软程度时,手指和和物体都会产生一定程度的形变。在产生形变的同时,物体和手指的接触面积增大。大脑将接受到相关的信息,并根据物体与手指的形变,配合物体和手指的接触面积,给大脑反馈物体的柔软度。

举个例子,我们手指头插向一团面中,当手指接触到面团的时候,手指和面团都会发生形变,随着指头用力的增强,面团形变超出手指形变。这时大脑意识到面团比手指柔软。力量继续增强,手指逐渐陷入面团,面团与皮肤接触表面积的增加,大脑也就意识到了面团的形变程度,最终给予我们柔软度的评价。

柔软度与温度有关

上文中我们已经解释了,柔软度与物体抗形变能力的联系。但这种「软」,更多是工程学的一种概念。但在生活中,有一些物体不符合这种定义,却同样能给人以「软」的感觉。比如我们铺在床上的毛毯,又或者一大块柔软的橡皮泥。如果我们将二者放在一起比较,大多数人都会认为毛毯更加柔软。

▲ 毛茸茸的东西总是让人感觉柔软 图片来自:unsplash

但事实是,橡皮泥的抗形变能力比毛毯更差,用力下按时材料与皮肤的接触面积也会更大。如何解释这个问题呢?卡内基梅隆大学材料科学与工程教授安东尼·罗莱特认为:大脑对柔软的认识很大程度上也和我们对柔软的固有印象有关。

▲ 冰冷的凝胶史莱姆

在绝大多数人的印象中,柔软的物体往往是温暖的,因为自然界中质地柔软的物质往往都是高分子材料组成的。不同于高硬度、由电子+声子导热的金属,这类材料的热传导介质主要由声子组成,导热系数也就更低。换句话说,这种高分子材料更容易聚集热量。

▲ 羽毛就是高分子物质 图片来自:unsplash

在生活经验的积累中,我们的大脑已经将温暖和柔软这两个概念进行绑定,当一个物体触感温暖的时候,我们更容易认为它是柔软的。反之,我们就会判断它是相对坚硬的。这就解释了为什么大部分人认为毛绒玩具比橡皮泥更柔软。

在讨论柔软度的时候,我们已经将柔软限定在了固体材料内。 如果我们将范围进一步扩大,将微观结构纳入讨论之中,哪种物体是最柔软的呢?

地球上最柔软的材料

杜克大学机械工程与材料科学教授大卫·李约瑟,他认为,目前地球上已知最柔软的功能材料是包裹每一个细胞的细胞膜。在过去 40 年的研究中,科学家们发现,包裹细胞的细胞膜由磷脂结构构成,厚度仅有两分子。

磷脂间通过分子间相互作用力「较弱」地结合在一起,容易发生错位、扭曲、拉伸,整体表现出如橡皮泥一般地「软」的特点,所以细胞膜可以呈现出各种形状,如球形、长棒甚至不规则形状。通过一些特殊的仪器,人类可以对其施加平缓的正压力和负压力,拉伸或弯曲细胞膜。经过测量,细胞膜的柔软度介于液体和气体之间。

▲ 细胞膜结构

我们该如何如何体会这种柔软呢?我们可以先将手指伸在一盆温水中,活动一下感受水流动所带来的阻力。再将手指在空气中挥动,体验空气形变带来的微小阻力。细胞膜的柔软度,就介于水与空气之间。

宇宙中最柔软的星球是什么?

现在我们知道,地球上已知最软的物质是包裹细胞的细胞膜。但地球上的物质毕竟只是少数,如果我们将范围扩大到宇宙的层级中,必然还有比细胞膜更软的物质。哥伦比亚大学的天文学家 Jana Grcevich 大胆的将这一问题扩展到了「什么是最软的星球?」

super-puff 行星(想象图)图片来自:firstpost

如何评价一颗星球的柔软度?通常情况下,科学家用密度作为判定柔软的标准。作为固态行星的地球,密度就要比作为气态行星的木星和土星要大,所以我们认为,气态行星比固态行星更加柔软。

哪些气态行星是最柔软的呢?随着我们在银河系中发现越来越多的系外行星,天文学家还发现了一种行星,被称为 super-puff 。与其他行星相比,这种行星反射或者发光率很低,仅凭目前可用的仪器和多普勒技术很难确定每颗行星的质量,科学家们使用了开普勒光曲线。

▲ 科学家想象中的 super-puff 行星(想象图) 图片来自:NASA

2019 年,科学家就在距离我们约 2600 光年的开普勒 51 星系,发现了三颗 super-puff 类的行星,这三颗行星分别叫做开普勒 51b 、51c 和 51d 。这些「木星大小的行星」围绕开普勒 51 的轨道周期分别为 45 天、85 天和 130 天。

▲ 开普勒 51b 、51c 和 51d 与太阳系行星的对比(kepler 行星为为想象图,无实拍图片) 图片来自:NASA

通过光学天文观测和轨道的计算,我们可以计算出超级气团的大小和重量。它们的大小和木星相仿,但这些行星的重量仅为木星的 1%,密度仅为水的 1/10,并由轻量的氢气和氦气组成,被厚厚的甲烷雾覆盖。如果我们按照密度对这些行星的柔软度进行评价的话,他们将是宇宙中最柔软的星球。

当然,受限于目前的科技水平,我们对这种被称作 super-puff 的系外行星了解并不多。部分天文学家认为,这类行星之所以显得大,是因为行星周围有一层环包裹,这层环状物给让我们观测出现了误差。实际上这些行星并没有这么大的尺寸,密度也与气态行星更加接近。不过天文学家已经开始搜索更多类似的行星,让我们重新认识宇宙中最柔软的物质。

▲ 木星环 图片来自:NASA

什么才是最柔软的东西?

到底什么是最软的东西呢?其实没有标准答案。事实上,柔软度是人类大脑的一种感知,而知道人类的感知系统具有局限性,例如用手指同时触摸玻璃和钻石时,因为两者的硬度超过皮肤感知的极限,所以我们无法直接感知到他们哪个更硬。柔软度也是同理,如果物体的柔软度超过我们感知的阈值,我们同样无法分辨哪个更软。

当然我们也不是毫无收获,如果我们将条件限定在地球上能发现的功能材料中,并利用仪器进行测量,生物的细胞膜就是已知的最柔软的功能材料之一。如果将范围定在常见的物品上,每个人都有自己的答案。或许你家的羽绒被子,就是你心中最柔软的东西。

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