冷焊是個奇妙的現象,如何解釋?斷開的晶屆難道可以重新連接?

力學Nerd王小胖


上個世紀,科學家發射了一顆深空探測器——伽利略號:

其中的一個重要部件,就是它的天線。由於天線巨大,所以在地面上是處於摺疊的狀態,到了太空再去打開。

然而,到了太空之後,科學家發現天線怎麼都沒法打開。雖然在地面上一定做過了大量的測試,可是到了太空卻出了問題。

問題出在哪裡呢?問題就在於「冷焊」。摺疊的天線在太空中自己焊接到了一起,沒法打開了。

在太空中,兩個潔淨的金屬放在一起,就會自動的焊接到一起,這就是「冷焊」。

著名物理學家理查德·費曼曾給出了一個形象的解釋:

這個難以置信的現象之所以發生,是因為相互接觸的原子都是同一種類型的。這些原子沒法「區分」自己到底是在哪一片金屬之中。當存在其它原子,比如氧化層、雜質之時,原子就可以「區分」自己的「陣營」了。
——理查德·費曼,《費恩曼物理學講義》,12-2

費曼的說法,雖然看似主觀,但卻涉及到了物理學的一個核心概念——對稱性。局部的兩片金屬是「對稱」的,其中的原子都是可以互換的。這時就從原理上就無法劃分出邊界,進而,兩片金屬就成了同一個東西。

從固體物理的角度看,所有的金屬都是由原子組成的,原子組成晶格,晶格產生晶體,進而組成大塊的金屬。

乾淨的金屬表面相接,原子距離只要足夠近,就可以「鏈接」在一起。實際上是進入了勢能場的極小點,從而被固定了起來。

在太空中,金屬表面非常乾淨,沒有氧化層,也沒有氣體,所以連接在一起之後,就非常容易發生冷焊。

冷焊在納米加工中非常有用。兩根金絲在非常低的壓力之下,就可以發生冷焊。而且接觸點的晶向完全一致,從而擁有非常完美的機械性能。


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