如果兩塊金屬在太空中接觸,就會熔接在一起,為什麼?

有寶

這個現象在太空探索中非常重要,其實科學上有一個專有名詞來形容這種現象,“冷焊”。傳統的焊接需要高溫將兩塊等待焊接的金屬融化,熔融狀態下的金屬相互擴散、融合到一起,降溫之後固化連接到一起。

冷焊則是指在常溫甚至低溫狀態下,兩塊金屬碰到一起後融為一體的現象。對於這種現象,費曼曾經開玩笑地形容說:因為兩塊金屬中的原子搞不清楚自己到底屬於哪一塊金屬,於是乾脆融合到了一起。

這自然是玩笑話,原子不會有意識,但金屬原子的擴散確實真實發生的。通常情況下我們觀察不到這種現象,是因為地球表面充滿了大氣,將兩塊金屬放到一起,他們之間還是會有隔層,例如氧化層或者空氣層。這些隔層組織了金屬原子的自由擴散,使得通常情況下兩塊金屬無法自動合為一體。但在太空之中,沒有氧化層和氣體層的阻隔,兩塊金屬的原子可以自由擴散,無縫銜接到一起後,於是就會發生“冷焊”現象。

這種現象對太空探索影響很大。例如上世紀美國發射的伽利略號木星探測器,就是由於發生了冷焊現象,造成天線無法按計劃打開,信號傳導大受影響。因此為了防止這種現象發生,摺疊裝置、傳動裝置之間都會使用油類或其他物質相互隔開,避免兩塊分離的金屬靠在一起時融合到一起,影響正常功能。


看風景的蝸牛君

這種現象是存在的,在學術和技術上稱為“冷焊”,雖然還不清楚人類有沒有在太空中做過這樣的實驗,但是這樣的事情卻在太空中發生過。美國人發射的一架探測器曾經發生過這樣的事情,這架探測器本來是要去探測幾大行星的,在探測完金星水星之後,其天線旋轉軸就被冷焊焊住了,沒辦法只好啟用了備用天線,但是效率只有主天線的百分之一。

那麼為什麼會發生這種現象呢?其實道理也很簡單,就是兩塊相同的金屬在太空真空環境下接觸的時候,其兩個接觸面表層的原子之間沒有任何阻擋,那麼在接觸的時候兩個表層上的原子就會相互抓住對方,使之成為一體,冷焊現象就是這樣發生的。美國人的探測器之所以出現那種狀況,就是因為其旋轉軸的金屬連接處處理的太簡單,探測器的進入太空之後,經過一段時間的使用,上面的氧化層被磨掉了,在暫停使用的時候,冷焊現象就發生了。

那麼這地球上為什麼很少看到這種現象呢?其實主要有兩個原因,首先就是金屬的裸露面會迅速氧化,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,還有一個原因就是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。



但是地球上也並不是絕對不會發生這種現象,如果兩塊金屬的表層不氧化,並且之間沒有空氣等東西隔開的話,把它們放到一起擠壓一下,使其接觸面的原子充分的接觸,也是會發生冷焊現象的。


科普大世界

看了上述的回答總覺得有不足之處、從基本理論上來看都沒錯、但是都忽視了冷焊的重要條件、那就是 "原子間距離" 即兩者之間隙必須足夠小(小到個位數納米級水平)才能發生冷焊現象、此其一。其二、以接觸面積為1平方釐米的焊件來說、要加工到整個面積全都達到原子間距離談何容易(接觸面積越大越難)。對於眾多焊友在回答中提到的所謂太空冷焊現象、充其量只是極少數幾個點達到了原子間距離而已、就質量而言這種焊接沒有實質意義。


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這是現在也能用到的“冷焊”,因為太空中是真空狀態,沒有(人類認知到的)其他物質,突然冒出“兩塊”鐵,鐵元素和鐵元素之間無法區分誰屬於那一部分的,所以都會粘接在一起。我們在地球上把容器抽真空,也可以實現“冷焊”。其實依照現在的研究,太空中充滿以太,並非真正的真空。整個宇宙就像一個飽滿的空間,和水一樣,引力作用或爆炸的能量也會使空間產生“漣漪”,就是目前新發現的“引力波”。


紅燒屁股炸指甲

在太空中沒有空氣,潔淨度高,所以金屬表面很難形成氧化膜和汙染膜。雖然我們看到的金屬都是靜止不動的固體,但是微觀世界裡金屬的原子是在不停運動的,當把兩塊金屬接觸時,由於沒有空氣和氧化膜、汙染膜的阻隔,兩塊金屬間的原子就會運動交叉,互相滲透到彼此接觸的金屬塊內。宏觀表現就成為兩塊金屬熔接在一起。這種現象稱為“冷焊”現象。


剪刀雨

吉布斯自由能△G=△H-T△S,理論上只要△G不大於0反應就可能實現。真空環境下,兩塊金屬變成一體應該屬於無序變為有序△S是小於零但是真空接近絕對零度所以T接近0,那麼就只取決於△H,這跟真空與金屬構成的系統有關,目前來看還是能實現的。所以冷焊其實是可行的。

換個說法,壓力和溫度作用下,原子做擴散運動,粒子之間作用力對粒子的束縛變小,那麼反過來太空環境下壓力和溫度低那麼作用力對粒子的束縛就會增強。同種金屬光滑表面接觸,此時粒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,宏觀上就表現為所謂的冷焊


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在宇宙真空環境中,兩塊裸露的同類金屬在接觸後會相互粘合,好像被焊接在一起一樣。這個現象被稱之為『冷焊』(Cold Welding)。

史上最具幽默感的物理學家費曼(Richard Feynman)曾經形象地解釋道,這種現象的產生是因為『在真空中,處在接觸面兩邊金屬原子之間沒有任何物質將它們隔開,所以這些金屬原子「無法知道」它們其實是屬於兩塊獨立的金屬的。』

而在大氣環境中,由於空氣的存在和金屬表面氧化物的存在,兩塊金屬即使相互接觸後也不會粘合在一起。


像是吹往北邊的風

物理學、化學、材料工程、測量、加工、各方面都存在誤差、無法達到絕對,理論也受誤差的限制。如果能夠突破誤差,達到絕對,那麼人類就可以主宰宇宙了。例如100%的純金可能自帶重力破障效果。100%的純鋁自帶修復效果。100%的純水晶可以將任何光源變成激光……


肚皮舞寒寒

除了金屬其它物質會不會也發生類似冷焊的現象呢?如果有,生命體內的不同組織之間為什麼長期未暴露的氧化環境中,卻不會發生焊接呢?是因為基因設定了程序阻止了這種焊接?那它是怎麼阻止的?生成了什麼物質來阻止焊接?


成熟的狗狗

這在物理上叫做擴散現象吧,金屬是由原子構成的,原子是在不斷的做無規則運動。當AB兩塊金屬緊密接觸在一起,AB兩塊金屬的原子會搞不清旁邊這個是不是屬於自己的,於是跑到了別人的地盤,而且越跑越深,最後融為一體。生活中常見的是放炭的倉庫,牆會變成黑色的,而且黑色會很深就是這個原理,或者你將兩塊鉛塊表面削平,緊緊按在一起,幾分鐘後他們便會沾在一起。