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宇宙中最微不足道的元素，竟讓美國人付出2500萬美刀的代價？

2018-07-18 12:05:19 作者：讓紙_彈飛來源：果殼網分享至：

宇宙中最“微不足道”的元素，能造成多大的損失？對加州納稅人而言，這個數字是，2500萬美元。

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模最大的市政工程，也是吉尼斯世界紀錄中最寬的大橋。然而，一個宇宙中最“微不足道”的元素，讓大橋的造價徒升2500萬美元，而且差點毀了這個龐然大物。這“微不足道”的元素，就是氫。

舊金山-奧克蘭海灣大橋圖片來源：Wikipedia commons氫元素在地球上無處不在，是構成生命最為重要的元素之一。說它最“微不足道”，是因為氫原子是元素周期表中質量最輕、體積最小的原子，很容易鉆進其他材料當中。就好比一個袋子里即使已經裝滿了土豆，還是很容易再倒進去許多大米一樣。鉆進其他材料當中的氫會影響這些材料的性能。當金屬或合金材料處于氫濃度較高的環境中時，氫原子就會鉆進這些材料，對它們造成不可逆轉的氫損傷。

即便是在氫濃度較低的環境當中，氫原子的“入侵”也會使金屬材料變脆，造成一種叫做“氫脆”的現象。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：直升機發生機毀人亡、油氣田發生井噴、正常行駛中汽車傳動軸的突然斷裂，以及，二戰時的自由號貨船，停靠在港灣里就“莫名”被攔腰斬斷……

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

氫脆可以使材料的塑性嚴重降低，同時即意味著會導致材料的脆性急劇增加。而脆的材料有著巨大的安全隱患。因為這種材料會在幾乎不發生任何形變的情況下產生瞬時的、毫無預兆的突然斷裂。人們很難對這種突然斷裂進行預防，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險，科學家們花費了大量的精力對這種現象進行了各方面的相關研究。

氫脆現象是怎么產生的？

也許你還能記得，金屬是由原子直接構成的。同時，金屬通常又都是晶體。這意味著，構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，都規規矩矩的。但是，在現實的晶體中，并非所有原子都能像課堂上的小朋友那樣，踏實安分地待在自己的位置上。總有些“不守紀律”的原子，會破壞“晶體班級”規律整齊的課堂秩序，在晶體中形成缺陷，他們與氫脆現象都有密切關系。點缺陷和位錯是其中的兩種最基本的缺陷。

搗蛋鬼1號：點缺陷

特點：不是缺席，就是插班

理想晶體原子排列（手繪：戶一凡）

點缺陷有兩種：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座位；而間隙原子就是有外來原子“插班”，課堂擠進了一名新同學。不論哪種情況，原本整齊的課堂秩序都被破壞了。對晶體來說，就意味著晶體的性質發生了變化。

點缺陷：空位（手繪：戶一凡）

點缺陷：間隙原子（手繪：戶一凡）

搗蛋鬼2號：位錯

特點：群魔亂舞

位錯，是晶體中的另一種缺陷，類似于頭發絲，是一種一維的缺陷。位錯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，尤其是力學性能。位錯的尺寸非常小，直徑不到一納米，長度可達幾十個微米。一納米約等于頭發直徑的十萬分之一，肉眼根本看不見，必須利用電子顯微鏡在幾萬倍的放大倍數下才能看到它的身影。

但是金屬材料中的位錯卻非常的多——如果把一立方厘米的金屬中所有的位錯接在一起，總長度可以和地球的直徑相當。在外力作用下，這些位錯可以運動，相互交割，糾纏，簡直就像群魔亂舞。正是這些位錯的運動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既少又不易運動，這種材料就很難發生變形。比如陶瓷，一摔即碎。

位錯（手繪：戶一凡）

然而，位錯的運動并不是一帆風順的。材料中存在其它類型的缺陷，他們也會擾亂金屬中的原子排列秩序，讓位錯運動的“路途”變得崎嶇坎坷：時而需要穿過泥潭，時而需要翻越高山。比如點缺陷就會阻礙位錯的運動。簡單來講，如果有大個兒的原子（比如碳或者氮）鉆進材料中，他們形成的點缺陷可以像釘子一樣將位錯牢牢地“釘扎住”，就像吉他上的琴弦被牢牢地固定在琴面上一樣。位錯要運動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險也就提高了。

鉆進金屬的大原子會釘住位錯，限制它的運動（手繪：戶一凡）

但是，科學家一直認為氫脆不是氫原子“釘住”位錯造成的。因為氫原子實在太小了。小巧靈活的身體使氫原子能“自由”地在金屬原子之間“流動”。換句話說，氫原子在金屬中形成的點缺陷沒法有效地“釘”住位錯的運動。相反，甚至有學者認為“小巧靈活”的氫原子可以像潤滑劑一樣幫助位錯越過前方的障礙，讓位錯的運動更加順利。

氫原子讓位錯的運動更加順暢（手繪：戶一凡）

直到最近，由西安交通大學材料學院微納中心解德剛等人發表在《自然-通訊》上的一項工作顛覆了人們的認知。這項工作表明，至少在金屬鋁中，充氫并沒有對位錯起“潤滑”作用，反而是強烈的“釘扎”作用。這不是和前面氫原子無法釘扎位錯的結論矛盾了嗎？你可能猜到了，這應該是一種間接的影響：氫原子和金屬中的空位“抱成團”，一起阻礙了位錯的運動。這種“抱成團”的復合結構可以產生比大個兒原子更強烈的釘扎作用，從而讓材料變得更脆，更容易發生突然斷裂。這種氫原子和空位的抱團是材料科學中的一種典型的“1+1>2”的現象。

“抱團”的氫原子和空位牢牢地限制了位錯的運動（手繪：戶一凡）

氫鼓泡也是材料殺手

除了氫脆，微納中心研究團隊還發現，鉆進金屬鋁中的氫原子會讓金屬表面產生很多納米級的小凹坑，這些凹坑為氫原子的繼續聚集提供了便利。隨著凹坑不斷變大，氫原子越聚越多，就會把附著在金屬鋁表面的氧化膜“頂”起來，從而使材料表面出現鼓泡現象。這些“氫鼓泡”會加速飛機發動機渦輪葉片的腐蝕和失效，也會使航天器太陽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”現象（手繪：戶一凡）無論是被氫脆“折斷”的大橋和戰艦，還是被“氫鼓泡”損壞的飛機和航天器，都意味著巨大的人員和財產損失。氫，這種宇宙中最“微不足道”的元素，可以是潔凈環保的理想燃料，也可以是百害而無一利的“材料殺手”。而科學研究，則是人們在矛盾中追求真相、平衡利害的捷徑。這也是科學研究迷人魅力的一面吧。

其他人都在乖乖排隊的時候非要擾亂秩序強行插隊還自我感覺特別良好的你：