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流變學(xué)：固體還是液體？（上）

上初中的時(shí)候我們就知道，物質(zhì)具有三種狀態(tài)：液體、固體和氣體。但事實(shí)上，世界上還有另外一種物質(zhì)，它們自由變化于液體和固體之間，屬于在夾縫中求生存，比如說牙膏就是一個(gè)典型的粒例子。在大多數(shù)人的印象中，液體是可以流動(dòng)的，而固體則具有穩(wěn)定的形狀。鑒于此，有人說，牙膏能從牙膏管中擠出來，它能流動(dòng)，所以它是液體。但也有人說，牙膏能在牙刷上保持一定的形狀，即便用手也可以給揪起來，所以它是固體。那么牙膏它到底是液體還是固體呢？這就要說到“流變學(xué)”了。

牙膏——固體還是液體？

在物理學(xué)與化學(xué)的領(lǐng)域中，固體通常是指高度密集的分子有序排列而成的結(jié)構(gòu)地幔是液體還是固體地幔是液體還是固體，這種結(jié)構(gòu)我們就稱之為“結(jié)晶”。而液體則是指高度密集的分子處于松散排列狀態(tài)的物質(zhì)。比如說，在冰中，水分子有序排列，形成四面體的晶體結(jié)構(gòu)，而液態(tài)水的分子則排列松散，可以自由運(yùn)動(dòng)。

冰與水的分子結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)上的不同使得液體和固體具有迥然不同的特性。在固體中，分子的排列十分緊密，分子間具有強(qiáng)大的作用力，所以，固體在重力的作用下，也能保持一定的形狀，而不具有流動(dòng)性。在液體中，分子的排列比較松散，運(yùn)動(dòng)比較自由，所以在重力的作用下可以流動(dòng)。此外，固體落地后會(huì)彈起，而液體則不會(huì)。

針對(duì)物質(zhì)的這種特性開展研究的學(xué)問就是“流變學(xué)”，可見，流變學(xué)并非根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)是否具有流動(dòng)性來區(qū)分固體和液體的，流動(dòng)的物質(zhì)就是液體，不流動(dòng)的物質(zhì)就是固體。

不過，物質(zhì)是否在流動(dòng)，還與一個(gè)因素密切相關(guān)，這就是時(shí)間。毫無疑問，我們都認(rèn)為水是液體，因?yàn)槲覀兠刻於紩?huì)看見隨意流動(dòng)的水。那么，當(dāng)物質(zhì)以極其緩慢的速度流動(dòng)時(shí)地幔是液體還是固體，我們又會(huì)怎么想呢？這就不得不說瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)了。瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)被吉尼斯世界紀(jì)錄列為世界上時(shí)間最長的實(shí)驗(yàn)，目前已經(jīng)持續(xù)了91年，91年什么概念，92年前就是1926年啊。瀝青我們都很熟悉，它是高黏度樹脂的總稱，是原油加工過程中的一種產(chǎn)品，其作為防水材料廣泛應(yīng)用于各種防水工程中，比如說，很多屋頂都覆蓋有瀝青。在室溫下，瀝青是脆硬的固體，有時(shí)候我們甚至一跺腳就能把它跺碎。1927年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的托馬斯-帕內(nèi)爾教授為了告訴學(xué)生們“盡管室溫下瀝青看上去是固體，但其實(shí)卻是黏性極強(qiáng)的液體”這一簡單的道理，從而設(shè)計(jì)了瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)。但沒想到，這下玩大發(fā)了，這屆學(xué)生們是看不到滴落的瀝青了。

屋頂瀝青防漏

經(jīng)過了11年的漫長等待，直到1938年12月，第1滴瀝青才落下，時(shí)至今日，在90多年的漫長時(shí)光中，也只有9滴瀝青落下，落下的時(shí)間分別是1938年、1947年、1954年、1962年、1970年、1979年、1988年、2000年和2013年。在實(shí)驗(yàn)中，看上去隨時(shí)都有可能滴落的瀝青，往往都會(huì)在幾年內(nèi)都保持著懸而不落的同樣的狀態(tài)，但瀝青滴落的過程只有短短的幾分鐘，所以從實(shí)驗(yàn)開始到第8滴瀝青落下，從未有人真正目睹過瀝青滴落的瞬間。直到后來互聯(lián)網(wǎng)直播的出現(xiàn)，人們才有幸見證了第9滴瀝青的下落。值得一提的是，這個(gè)瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)還獲得了搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。

瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)

關(guān)注第10滴瀝青滴落的網(wǎng)站

可見，在室溫下，瀝青看上去是一種固體，根本不會(huì)流動(dòng)，但是，它卻以匪夷所思的速度在緩慢流動(dòng)著。同樣的，我們?nèi)庋鬯姷恼诹鲃?dòng)的水，如果用超高速攝像機(jī)拍攝的話，也許看上去卻是靜止不動(dòng)的。這就意味著，某種物質(zhì)是“流動(dòng)的”還是“不流動(dòng)的”，往往因觀察的時(shí)間跨度不同而不同乙醇檢測儀，也就是說，時(shí)間因素決定著某種物質(zhì)是“固體”還是“液體”。

更確切地說，一種物質(zhì)到底是液體還是固體，往往會(huì)根據(jù)其分子運(yùn)動(dòng)的難易程度和觀測時(shí)間跨度的不同，而出現(xiàn)“身份的變換”。在流變學(xué)上天然氣報(bào)警器，我們用“德博拉數(shù)”這一概念來表示。德博拉數(shù)=分子運(yùn)動(dòng)時(shí)間/觀察時(shí)間，這其中，分子運(yùn)動(dòng)時(shí)間指的是分子移動(dòng)相當(dāng)于自身大小的距離所花費(fèi)的時(shí)間。一般來說，液體的德博拉數(shù)小于1，而固體的德博拉數(shù)則大于1。或者更準(zhǔn)確地說，小于1時(shí)，物質(zhì)就會(huì)表現(xiàn)出液體的力學(xué)特征，而在大于1時(shí)，則表現(xiàn)為固體的力學(xué)特征。

舉個(gè)例子來說明，我們都知道，窗玻璃大多為硅酸鹽成分，DVD的塑料盒都是由聚苯乙烯制成的，硅酸鹽和聚苯乙烯的分子排列都非常松散，并沒有形成晶體結(jié)構(gòu)，反倒與液體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常相似。但是，如果以窗玻璃和塑料外殼的幾十年使用壽命為跨度來看的話，它們在室溫下的德博拉數(shù)都為100億，所以，我們會(huì)認(rèn)為它們是固體。

另外，我們也都知道，大陸板塊的移動(dòng)是由于地球內(nèi)部的地幔流動(dòng)而引起的。但與硅酸鹽玻璃一樣，地幔的德博拉數(shù)也是巨大無比，所以對(duì)只能活幾十年的人類來說，地幔就是固體，這毫無疑問，我們根本感覺不到它的流動(dòng)。但是，如果用幾億年的時(shí)間跨度來看的話，我們就能感覺到地幔是液體。

當(dāng)然了，很多時(shí)候，決定物質(zhì)表現(xiàn)為固體還是液體，不僅僅是被動(dòng)的靠時(shí)間。當(dāng)我們做出某些改變時(shí)，一些物質(zhì)就可以在液體和固體之間自由變換，而巧妙地利用這種雙重身份的特性，便會(huì)為我們的生活帶來極大便利與好處，那么這種身份的隨意轉(zhuǎn)化是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？它又有那些具體的應(yīng)用呢？請(qǐng)看下集吧。返回搜狐，查看更多