神奇小Mo

液態的同種東西放到一起就會融合成一體，固態的東西放到一起卻不會這樣，比如兩塊光滑平整的鐵塊兒放到一起，並不會成為一塊鐵，然而這只是在地球上我們生活的環境中是這樣，如果在外太空中，將兩塊光滑平整的鐵放到一起，最終它們會成為一塊鐵。

在太空中，兩塊沒有氧化的光滑平成的鐵放到一起，很快就會成為一個鐵塊，這種現象稱之為“冷焊”，就是不用加溫也能焊接到一起，其道理也很簡單，就是當兩個鐵塊兒靠近了之後，兩者的鐵原子之間相互吸引，由於兩者的原子之間的距離足夠近，因此接觸面的鐵原子可以相互把握住對方，最終使得兩塊鐵成為一個整體。

不過這種現象只會發生在金屬物上，因為金屬中有大量的自由電子，而且，金屬都沒有固定的微觀結構，所有的金屬內部都像是一堆原子核暢遊在電子的海洋中，雖然大多數金屬都體現為固態，其實它們實際上都只是不流動的液態而已，金屬原子也都在運動之中，只要對其施加高溫，那麼金屬就很容易變成液態，很多金屬在高壓之下也會改變形狀，但是其本質卻不會改變，比如液壓機下的鐵塊，常常像泥巴一樣被改變形狀，而無論怎麼改變，它仍然是鐵，這說明金屬的延展性也大都很好。

當兩塊鐵在太空中接觸的時候，兩者接觸面上的鐵原子會首先在自由電子的層面上接觸，而自由電子的交流就使得兩者為一體了，鐵原子的自由電子並不會區分所接觸的鐵原子核屬於兩塊鐵，因為金屬內部的結構本就是雜亂無章的，並不體現為某種晶體模式，所以金屬原子並不會一直待在固定的位置。而且同種金屬元素的物理和化學性質相同，電子和原子核也相同，運動模式也一樣，這使得它們在接觸的時候很容易融為一體。如果是非金屬的晶體結構的物質，就不會發生這種冷焊現象了。

那麼為什麼在地球上我們生活的環境中不會發生這種現象呢？這是因為地球上有空氣，特別是氧氣，很多金屬都很容易和氧氣發生反應生成氧化物，鐵元素就很容易和氧氣生成三氧化二鐵，或者四氧化三鐵，導致鐵塊的表面形成一層氧化膜，而氧化物是一種分子結構，和氧氣分子結合的鐵的化物就不再是遊離的金屬原子狀態，電子和原子核都會在固定的位置上，於是兩個鐵塊等金屬就不能發生冷焊現象，粘接到一起了。

不過從事金屬加工的朋友可能發現過有的鐵等金屬剛加工出來的時候，放到一起也會發生粘連現象，這是因為這個時候兩塊金屬表面還沒有發生氧化反應，而且這兩塊金屬的表面必然非常平整，可接觸的地方比較多，其部分金屬原子間發生了類似太空中的冷焊現象造成的，那麼這也說明兩塊絕對光滑平整的鐵塊兒，如果表面鐵原子還沒有和氧氣發生反應，把兩者放到一起，擠出兩塊鐵塊之間的空氣，也是會成為一塊鐵的，所以在地球表面的環境中也並非不會發生冷焊現象。

科普大世界

這是一個很有意思的問題，昨天晚上與幾位朋友進行過一番探討，現在談一談我的觀點：

我認為即便是兩塊“絕對光滑平整”的鐵塊，將它們平整的表面對著靠在一起，它們也不會變成一塊鐵。

為什麼呢？

（打磨光滑的鐵塊）

鐵的表面有氧化層

我們都知道，鐵是會生鏽的，這是鐵元素與空間中的氧氣發生化學反應的結果。

鐵是地球上第四豐富的元素，位於氧、硅和鋁之後。但我們極少能在地球表面找到純鐵，因為它們大部分都被氧化，以氧化鐵礦物質如赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）等形式出現，各種鐵礦石佔了地殼質量的5%左右。

鐵在空氣中會與氧氣發生氧化反應，鐵塊表面的鐵原子會與氧氣生成三氧化二鐵（Fe2O3），如果在此過程中有水氣參與，還會形成更加複雜的三氧化二鐵水合物Fe2O3·nH2O和氫氧化鐵（FeO(OH), Fe(OH)3）也就是俗稱的鐵鏽。

（嚴重的鐵鏽）

實際上本文第一張圖中的鐵塊表面也有氧化層，只不過肉眼不能分辨。

由於有一層氧化物的阻隔，即使是將兩塊打磨得極其平整的鐵塊放在一起，它們的鐵原子間不會相遇，也不會有組成新金屬鍵的機會。

那麼在真空中，沒有了氧化層，兩塊鐵能粘合在一起嗎？

冷焊

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式將金屬或其他熱塑性材料結合在一起的技術，焊接的方式有許多種，但有一種方式比較特別，這就是冷焊。

冷焊是應用機械力、分子力或電力使得焊材擴散到器具表面的一種工藝，這意味著不需要給金屬加熱，只需要對它施加力，金屬就可以被“焊”到一起。

（通過向兩片光潔的金屬施加高壓使其焊接在一起）

從這個角度看，將兩塊鐵靠在一起，如果它們之間沒有氧化物的阻隔，鐵原子間通過電子的交換似乎也能達到焊接的目的。

一個可能由冷焊造成故障的例子，就是伽利略號木星探測器。

（地面組裝完成的伽利略號木星探測器，它的上方是張開的傘狀高增益天線）

伽利略號木星探測器於1989年10月18日被亞特蘭蒂斯號航天飛機送入地球軌道。但在探測器繞地球飛行一週後，地面控制人員發現位於它頂端的高增益天線無法完全打開，它似乎被什麼東西卡住了。這個主天線有18個肋骨，像一把大傘，當驅動電機啟動並對肋骨施加壓力時，它們在發射時被固定的尖端應該從杯子中彈出來。結果只有15個彈出來了，使天線看起來像一把半開的傘，它完全無法工作。

（未打開高增益天線的伽利略號繞木星飛行示意圖）

為了解決這個問題，工程師嘗試對天線進行加熱循環，他們先讓航天器旋轉到10.5 rpm的最大旋轉速度以換取離心力，然後反覆打開和關閉天線驅動電機，試圖用“錘擊”的辦法使被卡住的天線肋骨尖端鬆開，在經過13000次的反覆嘗試後，打開高增益天線的努力最後宣告失敗。

好在伽利略號還配有另一個小的20瓦功率低增益天線，儘管低增益天線的帶寬明顯低於高增益天線的帶寬。高增益天線的信號發射速率為每秒134 千比特，低增益天線的發射速率僅為每秒8至16比特。但有總好過沒有，伽利略還是利用這個小天線完成了許多重要的數據傳輸任務，包括實現了第一顆編號為951 Gaspra的小行星飛越，並在243 Ida附近發現了第一顆小行星衛星 Dactyl 。1994年，伽利略觀察到彗星Shoemaker-Levy 9與木星的碰撞。

工程人員事後對伽利略號天線故障的分析認為，高增益天線的表面電鍍了一層黃金，這些天線肋骨的表面由於沒有塗抹潤滑油，發射時產生的振動使肋骨間產生磨損，從而使它們在真空中發生了金屬粘接，這就是冷焊。

（右方三根天線肋骨被認為“冷焊”在了一起）

冷焊發生的條件

太空中由於沒有氧氣，金屬表面不會產生氧化物，失去了氧化物的阻隔，金屬在相互摩擦或存在外部強大壓力的情況下容易造成原子間形成新的金屬鍵，從而發生粘接的情況。

但不是所有的金屬都容易被粘接。

科學家們發現，當兩片直徑10納米以下的超薄金納米線相互接觸時，它們可以在施加非常低的壓力下，幾秒鐘內通過單獨的機械接觸冷焊在一起。通過高分辨率透射電子顯微鏡和原位測量表明，焊縫幾乎是完美的，具有與納米線其餘部分相同的晶體取向，強度和導電性。

（黃金超薄納米線的合成）

高質量的焊接歸因於納米級樣品尺寸，定向附著機制和機械輔助的快速表面擴散。並且目前只在金納米線之間和銀納米線之間觀察到這樣的冷焊現象，說明焊接材料本身的金屬屬性也是其中一個重要條件。

（超薄金納米線的冷焊過程，b中的內置圖為小方框中的放大圖，清晰的表明了原子的擴散通道）

鐵的金屬屬性與黃金不同

鐵的原子序數為26，它的原子核中有26個質子和30箇中子，核外有26個電子。鐵原子的電子軌道分為4層，從內到外分別為2個、8個、14個和2個。

（鐵原子核外電子分層）

常溫狀態下，鐵原子通過它最外層的2個電子與相鄰的鐵原子結成金屬鍵，從而形成穩定的體心立方晶體結構。

（常溫下鐵的體心立方晶體結構）

當鐵被加熱到911.85-1393.85攝氏度（1185-1667 K）之間時，鐵原子間的相互連接會發生改變，它的晶體結構會變成與黃金一樣的面心立方金屬晶體。

（高溫下鐵的面心立方晶體結構）

當兩個鐵原子團相遇時，它們不會因為相互接觸而發生金屬鍵的斷裂重組，因為鐵的最外層電子已經與其相鄰的鐵原子組成了穩定的聯繫。在這種情況下，鐵最外層原子會對外來的原子產生靜電排斥力。要想打斷原有的金屬鍵，必須給它提供額外能量，比如將鐵加熱到相當高的溫度、施加更大的壓力或通過強大的電流。

總結：

冷焊現象在納米尺度下的黃金或白銀納米線發生，與金銀元素本身的原子特性有關，也與其在納米尺度下原子間相互作用力相關。理論上在真空環境下金或銀因為相互摩擦會發生冷焊，航天器在設計和製造過程中也會將活動構件有可能發生的金屬粘接因素考慮進去。但這不表示將兩塊打磨光滑的鐵相互靠近就能發生冷焊，從而粘接在一起。要想實現兩塊鐵的焊接，必須要對它們施加外部作用，打破鐵原子間已有的金屬鍵結構，從而在兩塊鐵之間形成新的金屬鍵。

以上就是我的觀點，歡迎你參與討論。

老粥科普

世上本無絕對光滑平整的東西，但你既然說有，那我可以回答一下，題主說“絕對光滑平整”顯然就是在誘導大家：兩塊有一面絕對光滑平整的鐵塊，對著放在一起能變成一塊鐵。我也是這個結論，但有個前提條件：必須處於低溫超真空環境中，意思就是兩表面不能汙染。有人說這就是冷焊，我認為不全是，下面先來看一看什麼是冷焊。

所謂的冷焊是指利用機械力、分子力、電力使得焊材擴散到器具表面的一種工藝方法。它對錶面粗糙度要求並不高，主要用於修復金屬表面的磨損、劃傷、小氣孔、砂眼等小缺陷。

冷焊現象確實特別容易發生在超低真空和低溫環境下（真空度高於10的-8次方），比如說高軌或深空航天器，

而題主所說的情況不涉及電力和機械力，只依靠原子分子力了。準確地說這是最理想化的冷焊了。絕對光滑平整能達到什麼程度？這就要看什麼程度叫絕對光滑平整。
如果表面粗糙度Ra能達到納米（10^-9米）和皮米（10^-12米）之間的程度，即分子作用力（範德華力）所需的距離（10^-10米）以下叫絕對光滑平整，那麼兩塊有一面絕對光滑平整的鐵塊對放在一起，能變成一塊。但再說一次前提，必須超真空，表面不能被氧化汙染。可是現實中難以實現，第一，真空度達不到。第二，目前表面粗糙度最高級別為Ra=0.012μm=1.2x10^-8米，比起10^-10米還差兩個數量級。不過差的不算大，不久的將來肯定能達到，那時我們不妨再做這個試驗。好了，我的答案到此結束。

物原愛牛毛1

如果你的假設前提，兩塊表面絕對光滑平整的鐵塊，這兩個面接觸在一起，那麼我的回答就是：完全有可能發生，在學術領域被稱為冷焊現象。

我為什麼要強調您的前提條件呢？

第一、在地球表面空氣中，裸露的金屬面會迅速氧化，形成一個氧化層，這樣兩塊金屬在一塊的時候，會因為氧化層的阻隔而無法發生冷焊現象。

第二、地球上空氣的存在會使兩塊金屬之間有所阻擋，所以兩塊金屬的金屬原子難以直接相連，那麼冷焊現象當然就不容易發生了。

在題主所強調的前提下，我們可以認為，這兩個光滑表面原子以晶體晶格規則完整排列、並且沒有氧化情況發生。同時，同種金屬光滑表面接觸，此時鐵原子之間距離可以達到很近足夠粒子間作用力發揮作用，自然就會束縛在一起。

我是郭哥論道，一個致力於科普相對論、量子力學、計算機、數學，讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣、更有料的科普搬運工。歡迎點贊、關注、評論，但也不禁止吐槽、謾罵和人身攻擊，你們有這個權力，不管怎樣，都是對老郭的支持，哈哈哈！！！

郭哥聊科學

兩塊有一面絕對光滑平整的鐵塊，對著放在一起能不能變成一塊鐵？

兩塊表面粗糙度比較細的鐵塊表面都會有部分粘滯的效果，當然這並不是一個整體，只是表示在足夠平整時分子間的作用力（範德華力）會將兩個表面緊緊貼在一起，但這與一個整體的距離還相距遙遠，因為此時兩者之間的“粘合力”仍然只是物體之間的相互作用力範疇內！

做過鉗工的朋友應該對這種現象記憶猶新，因為兩個加工極為平整的鐵塊表面貼合時會有一種粘滯的感覺！但無論再平整，在大氣環境下，兩個表面是難以長到一起的！不過這是一種叫做冷焊的現象，這種現象在大氣中是有條件實現的，一般可以應用機械力、電力或者分子力使焊材擴散到對象表面的一種方式！但在真空中兩塊平整表面卻比較容易發生冷焊現象，因為沒有了氧化層的干擾，金屬原子間通過原子擴散交換也能達到類似焊接的目的，而且這種焊接沒有熱應力的干擾，只要時間足夠久，焊接質量是相當不錯的！

當然也並不是所有的金屬都容易冷焊，超薄金納米線的接觸以及擴散與最終合成一體的過程，中間並無加熱過程，而是原子擴散的結果！

上圖是首先使納米線斷裂後在電子束的照射下表面露出，再在納米片段相互靠近觀測到了發生表面擴散，最後完全融合到了一起，材料缺陷消失！

當然現在已經這種方式已經成了修復金屬表面微損的重要方式，現實操作中明顯難以存在真空等這樣的條件，而是使用機械力或者電流等條件配合，實現表面修復過程或者焊接等！不過這種在地球上用來修復表面的手段卻曾經造成重大事故，這就是伽利略號木星探測器高增益天線無法打開的原因，因為鍍金表面的天線反射傘狀骨架在高真空的軌道上發生了冷焊，粘接在了一起！地面人員嘗試NNNN次後都無法打開，最終放棄轉而使用通信速率比較低的天線通訊！

可憐的伽利略木星探測器，左圖是完全打開時的樣子，右圖是冷焊後半開的狀態，當然伽利略仍然使用低增益天線完成了木星探測的關鍵任務，但如果能完全打開的話，相信它的成果會更豐富！

星辰大海路上的種花家

如果是在空氣中，兩塊即便是絕對光滑平整的鐵塊，它們對著放在一起也無法合成一塊鐵。但在真空中，兩塊鐵塊可以合成一塊，這就是冷焊原理。

在空氣中的時候，與空氣接觸的那部分鐵會吸附氣體分子。並且鐵還會被氧氣氧化，形成氧化膜。由於氣體分子和氧化膜的存在，阻止了兩塊鐵結合在一起，所以在空氣中不會出現冷焊的現象。

然而，在真空中，兩塊絕對光滑平整的鐵塊可以結合在一起，其原理在於原子擴散。可能有些人會有疑問了，鐵塊不是固體嗎，為什麼鐵原子還能運動和擴散呢？

事實上，只要粒子的溫度高於絕對零度（-273.15 ℃），其動能就會大於零，所以它們必然存在某些方式的運動，例如，平動（即平移運動，傳統意義上的運動），另外還有振動、轉動。無論粒子組成的宏觀物體呈現為固態、液態、或者氣態，或者其他物質狀態，組成粒子都會存在運動。只是與液態和氣態物質中的粒子相比，固態物質中的粒子運動幅度要小得多，並且這種運動不會改變物質狀態。在固體中，原子會不斷轉移、混合、交換位置，這就是原子的自由擴散現象。

上圖為金納米線的冷焊現象

在真空中，鐵的表面沒有氣體分子和氧化膜的阻擋，兩塊鐵中的原子可以自由擴散，它們最終也會形成金屬鍵，所以就能緊密地結合到一起。對於尺寸越小的金屬，越容易發生冷焊的現象，科學家發現直徑小於10納米的單晶超薄金納米線能在幾秒鐘內被冷焊在一起，所要施加的壓力非常低。

由於冷焊現象的存在，在太空中運行的航天器曾因此出過故障，比較有代表性的例子是NASA的伽利略號木星探測器。當年，伽利略號的主天線沒能正常展開，其原因就是天線的金屬骨架與其他金屬元件發生了冷焊。

火星一號

如果真的做到了絕對平整和光滑，確實可以做到完美連接在一起，這種現象叫做冷焊。

冷焊顧名思義就是指材料在常溫下的焊接技術，其原理就是金屬直接如果沒有氧化膜或者其它雜原子保護，做到原子潔淨的程度，則相互靠在一起就好發生黏附，進而過段時間就好焊接在一起，這裡面起到主要的作用就是分子間的無阻礙擴散左作用。平常我們生活中的金屬表面都會被雜原子“汙染”，比如被氧氣氧化生成氧化膜，這些雜原子的存在阻礙了金屬間的無阻礙擴散，所以無法發生冷焊。但是如果在太空中，則偶然條件下就會發生冷焊，或者說冷焊的前期階段-黏連。造成機械故障，比如伽利略號木星探測器就因為在太空中發生了冷焊，導致主天線沒有打開。還有些衛星的太陽能電池板打不開，也是發生了冷焊作用。

正常情況下，冷焊很難發生。但是如果尺度小到一定程度，比如達到納米級，很多材料就會直接突破某些能壘，發生冷焊現象。最早發現這個現象的就是納米金和納米銀線之間的冷焊現象，科學家發現，尺寸在10納米以下的兩個納米線，很容易就發生了冷焊行為。小尺寸下，物質的行為往往和宏觀下完全不一樣，具有很多神奇的物理和化學性質。

冷焊即有利也有弊，利的時我們可以在常溫下，直接對器件進行修補。而弊端則是某些時候發生冷焊，會造成器件機械障礙，比如衛星。所以，合理利用冷焊以及合理設計器件避免冷焊，是機械設計時需要仔細考慮的。

科學探秘頻道

記得人民教育出版社出版的初中物理教材中，在說明固體分子不停地做無規則的運動時，曾舉過一個例子：將磨的很光滑的鉛片和金片壓在一起，在室溫下過了五年，鉛片和金片就結合在了一起，把二者切開後發現，彼此相互滲透了1mm。

當然，金和鉛硬度較小，加壓後兩種金屬表面上的原子比較容易接近。特別是鉛硬度更小，表面光潔的兩塊鉛用手就可壓在一起。

鐵的硬度比較大，兩塊鐵放在一起，大量原子間距離較大，只有少數原子間距離較小，產生作用力難以將二者結合在一起。不過，這裡的鐵塊不是普通的鐵塊，它太不尋常了，是絕對光滑平整的。放在一起，二者之間任何其他的東西都不會存在，大部分原子會靠的很近，原子間的作用力就會將二者拉在一起，並且二者的原子也會不斷的向對方運動，雖然運動的很慢，但時間可以長一些，五年不行，就十年、二十年……所以，完全有希望成為一個整體。

甜甜向上314159

不請自來。樓下有一位朋友的回答很充分了，結論是“理想狀態下可以發生”。但如果對倆鐵塊施加巨大壓力，即使不是那麼理想的狀況下也會發生粘連。

對於鉛、鋁、純鈦等較軟的金屬來說，常溫粘連很容易發生。兩塊鉛疊在一起，用錘子使勁砸，很快就變成一塊了。大型水下機械常常要用到鉛封，就是在鐵製品的孔裡塞鉛塊。第一塊塞小了不要緊，第二塊接著打進去，一樣可以封死。

高端自行車上大量使用鋁、鈦零件，二者結合時都要塗隔離劑，通常是黃油。特別是受力巨大的盤釘，要是沒塗黃油就上緊，騎個一年半載，錘子都砸不開。當然，螺紋只是局部粘連，不是整個面完全融合。

虎皮青貓的小窩

既然施主提出提出絕對光滑平整，我們就假沒讓它在理想狀態下達到光滑的要求：這個面可以切開通過他的夸克，量子，基本上，這個級別就可以滿足施主的理想條件來完成這個實驗。 現在，實驗開始，兩塊鐵塊實驗面對接。 第一個實驗結果推斷，兩個面結合處無縫隙，無空氣，氣壓為零。外部對兩鐵塊施加大約一個大氣壓。這一個大氣壓就差不多把兩塊鐵塊壓緊貼在一起，如果兩鐵塊體積較小，以一人之力難將其拉開，這也就算是合成為一整塊了。 第二個實驗結果推斷，兩個理想面貼近，各個夸克，量子間隙均能達到正常距離，分子間，粒子間這種弱作用力就能起到吸引作用，兩個面一接觸就能主動吸合在一起。 這樣，在大氣壓的作用加上粒子間的弱相互作用外合裡應狀態下，就成了一整塊鐵塊。

關鍵字: 兩塊 科學 平整