你吃的硬糖都是玻璃，所以能做成迷惑科学家400年的超硬玩具

　　本文转载自公众号“把科学带回家”（ID： steamforkids）

　　你一定没想到，水果硬糖其实都是材料学意义上的玻璃。

　　正因为水果硬糖是玻璃，所以我们可以把它们...

　　做成一种历史上困扰了科学家400年的著名玩具——鲁珀特之泪。

　　鲁珀特之泪抗子弹

　　
关键概念

　　非晶态材料、压应力

　　材料和操作

　　白糖 / 水果硬糖

　　水

　　玉米糖浆（可选）

　　榔头

　　1 在锅内倒入白糖和玉米糖浆（或硬糖），放入适量水，加热让糖浆变稠。

　　想要让糖浆变成玻璃，糖的浓度必须高于85%。

　　操作原理：

　　浓度在65%以下的糖浆是液体，糖分子在液体中无序分布，还可以随便跑来跑去；高温时（高于玻璃化温度），浓度在85-95%之间的糖水是无定形液体（amorphous liquid），正要向玻璃转变。

　　无定形指的是，由于分子流动性很低，所以无法结晶，内部的原子不像晶体那样规律排列，大家比较散漫随便排一排。

　　浓度大于95%的糖浆里的糖分子几乎不能流动，变成了固体——糖玻璃，或者说无定形体，非晶形固体。

　　晶体（左）和非晶形固体（右）的微观差别

　　我们平常吃的水果硬糖就属于无定形体，也就是材料学意义上的玻璃。之前我们介绍过，过去的舞台用来替代玻璃的道具就是糖玻璃做的。

　　另外，加入玉米糖浆是为了增加白糖（蔗糖）结晶的难度，让糖浆更容易变成玻璃。

　　2 得到了高浓度的糖浆，就可以开始制造鲁伯特之泪了。

　　准备一杯水（可以用冰水），把融化的糖浆滴入冰水中，然后把凝结的固体拿出来，那就是鲁珀特之泪了。

　　注意：因为这种情况下得到的糖是一种玻璃，所以碎了的话有可能会切伤手，操作时最好戴上手套。

　　3 现在，可以尝试用榔头锤鲁珀特之泪的圆球部分，看看要多大的力才能把它锤碎。然后用手钳一下鲁珀特之泪的尾巴，看看会发生什么事，是不是一下就碎了？为什么会这样？

　　原理

　　其实我们吃的糖可以分成3类。

　　一类是晶态的糖，比如冰糖，白砂糖。这种糖里，原子有序排列，形成了晶格。

　　而第二类，就是水果硬糖一类的非晶态糖，或者说玻璃。因为玻璃的定义就是非晶态的，无定形固体。除了水果硬糖，棉花糖、焦糖、太妃糖也是非晶态的。

　　第三类就是半晶态糖，比如里面有颗粒（结晶）的焦糖等。

　　非晶态的糖浆，具有熔化的玻璃一样的性质，所以可以像吹玻璃那样制作吹糖人，也可以制作鲁伯特之泪。

　　再告诉你一个有趣的知识。广告里说的，只融在口，不融在手的巧克力，实际上是可可脂的第5种同质异形体。

　　同质异形体指的是，化学组成相同的物质，在不同的物理化学条件下形成的不同结构的晶体。

　　可可脂一共有6种同质异形体，而第5种的熔点是34摄氏度，接近体温，因此可以在被放入口中的时候恰好融化，所以被吃货推崇。

　　而让可可脂结晶成第5种同质异形体，则需要复杂的调温（temperin）工艺。

　　至于鲁珀特之泪，如果你用榔头敲鲁珀特之泪的头，它很难碎。但是剪它的尾巴，它一下子就碎了。

　　鲁珀特之泪是一个有400年历史的奇特玩具。17世纪时，莱茵河的鲁普莱希特亲王把它从欧洲大陆带给英国的查理二世，想让英国皇家学会的科学家解释一下这个东东为什么有这么奇怪的性质。

　　鲁珀特之泪头部的强度是因为，滚烫的玻璃被滴入水中时，玻璃表面迅速冷却变成固体，而还火热的内部却要缓慢变成固体。在内部变硬的过程中，对玻璃表面形成了拉扯，产生了巨大的抗压强度（compressive strength），抗压强度就是支撑石拱桥的那种力。

　　玻璃鲁珀特之泪头部的抗压强度高达 400-700 兆帕，是大气压的 4000-7000 倍，可以媲美钢铁，因此特别坚固。

　　不过由于技术有限，直到最近，它的捏头不爆，尾巴一捏就爆的原理才被揭开。

　　液压机施加了20吨的力量，把鲁伯特之泪的头部压碎

　　@Hydraulic Press Channel

　　2016年，普渡大学的材料化学家 Srinivasan Chandrasekar 和剑桥大学的物理学家 Munawar Chaudhri 和同事发现，要打碎鲁珀特之泪，必须让裂纹深入头部。

　　但是头部比较厚，即使有裂纹，也会在压应力的作用下紧压在一起（想象一下你用脚把土地上的裂缝踩结实），因此头部表面裂纹只会沿着玻璃滴表面发展。

　　但鲁珀特之泪的尾部却更薄更细，裂纹很容易进入尾部中心的张力区，并且顺着那里蔓延到头部的张力区，从内部将头部瓦解。根据 Chandrasekar 他们的测量，尾部裂痕向头部的传播速度是每秒1900米。

　　看完鲁珀特之泪的原理我们明白，东北人皮肤好，大概就是因为室内外温差大，这出门一冷一热，让皮肤的抗压强度增加变紧实，皱纹不能深入球状肉包脸内部的缘故吧。