金属有冷焊现象，金库里的黄金为什么不会粘在一起？

　　冷焊是一种神奇的现象。时常听到有这样一种说法：将两个铁块或铜块打磨得非常光滑平整，表面没有铁锈或氧化层，当它们彼此靠在一起时就会融合成一整块，因为没有加热熔融，所以称为冷焊。至于冷焊发生的原因，有些学过物理的人会告诉你，当两块同类的金属互相接触时，接触面的原子们“不知道”它们分属于不同的阵营，于是“稀里糊涂地”在一起了。

　　紧密接触的铁块

　　冷焊是一种物理现象，我们在生产和生活中偶尔也能遇到。比如说螺栓明明没有生锈，但它与螺帽卡死了，原因是在紧固的时候彼此摩擦和挤压，在螺纹接触的部位发生了冷焊，两个部分死死咬合在一起，给维修造成很大的麻烦。

　　紧固螺栓容易发生冷焊

　　但在其他场合，我们很少会听到两块金属粘在一起无法分开的故事。究其原因，是因为地球表面充满了氧气，大多数的金属会跟氧气发生化学反应，从而在表面生成氧化层，氧化层阻隔了金属的直接接触，就像是彼此穿着衣服，无法坦诚相见。

　　衣服就像是金属的氧化层

　　聪明的你一定想到了，黄金不会被氧气氧化，它是没有氧化层的。那么，当两块纯金叠放在一起时，它们会不会发生冷焊而无法分开呢？

　　黄金表面没有氧化层

　　没有听说过谁家的金首饰因为搁的时间长了，它们粘在一起分不开了。也没听说过美国金库码放的金锭都焊成了一大坨。

　　金库人员在检查金锭

　　太空基本是真空状态，那里基本没有空气，自然也没有氧气，所以航天科学家们需要重点考虑冷焊的问题。

　　一个经典的案例是美国1990年发射的伽利略号太空探测器，它的任务是探索遥远的木星。为了解决几亿公里距离的通信问题，伽利略号上携带了一个直径4.8米的高增益天线，这个天线在发射时像一把伞一样收起，进入转移轨道后会张开来传输信号。

　　伽利略号的高增益天线表面镀了金

　　但是，当伽利略号顺利升空入轨之后，地面控制人员却发现这个天线没办法完全张开，它的18根伞肋骨中有3根被粘住了。分析的结论是这个由钼丝编织的天线表面镀了一层黄金，而黄金在火箭升空的过程中发生了冷焊，三肋粘在一起再也没办法分开。最后伽利略号不得不用另一个低频天线来代替，信号传输的效率大打折扣。

　　天线的伞肋发生冷焊无法展开

　　其实早在1965年美国双子座-4飞船飞行任务中也出现过太空冷焊故障。当时宇航员怀特在执行出舱任务时，打开舱门碰到了弹簧和齿轮机构咬合问题，当他完成20分钟太空行走实验回到飞船时，却发现舱门关不上了，锁定机构被卡住，最后费了九牛二虎之力才修复故障关好舱门，从而避免一起船毁人亡的灾难。

　　双子座-4宇航员差点关不上舱门

　　科学家们认为，在太空中之所以容易发生冷焊，一个重要原因就是太空中没有氧气，当金属表面的氧化层被破坏后，它们的接触面的原子容易发生扩散结合，从而将两块金属粘在一起。

　　由此人们得出结论，在失去氧化层的保护后，金属之间会发生冷焊。

　　我们在前面提到，黄金不会被氧化，它的表面没有氧化层，为什么我们的金首饰和金条没有出现冷焊呢？难道黄金有假？

　　有一位外国的“土豪”就做了这样一个实验：他买来两个1克重的9999金条（片），将其中的一面打磨得非常光滑平整，再用力压在一起，看起来两片黄金成功地粘上了。然而在过了一段时间后，这两片纯金薄片还是能被轻松掰开，没有发生设想中的冷焊。

　　两片小纯金条

　　表面打磨平整光滑

　　用力压在一起

　　似乎粘上了

　　轻松掰开

　　我们看到两片黄金粘连，实际上是因为它们的表面很光滑，接触面的空气被完全排出，四周的大气压力将它们压在一起，并不是发生冷焊的结果。

　　也许你觉得他手指挤压的力度不够大，那就让我们回到金库，看看他们是如何堆放金锭的吧。在伦敦的一个金库里，12.4公斤（400金衡盎司）一块的金锭被堆到一人多高，最底面那一层金砖承受了超过360公斤的压力，但它们并没有粘在一起。

　　堆叠的金砖

　　美国是世界上最大的黄金储备国和交易市场，为了交易方便，其他国家也有相当数量的黄金储存在美国。我们再来看看美国的一座地下金库，沉甸甸的金砖一直码放到了天花板，最下面的金砖承压超过500公斤，也一样没有发生冷焊现象。

　　底部的金砖压力山大

　　实践证明，那种“金属靠在一起就会发生冷焊”的观点是错误的。即便金属表面没有氧化层，即便是最容易发生冷焊的黄金，即便它们已经很紧密地接触了相当长时间（金库并不会三天两头地倒腾黄金，很累的），冷焊依然不会发生。

　　我们见到的绝大多数金属都是由金属键结合而成的晶体，比如说铁在常温下是体心立方晶体，在高温下变成面心立方；金是面心立方的晶体。

　　黄金的键合示意图

　　在已经形成的金属晶体中，所有的原子都已经形成了手拉手的关系，晶界表面对其它原子的加入是排斥的，并不会因为自由电子的交换而自然形成新的金属键。要想实现晶界的融合，我们需要给它们施加额外的能量，以破坏晶体内部已有的金属键合，从而形成新的金属键。这个外部施加的能量要么是足够的压力，要么是足够高的温度，或者二者兼而有之。

　　要想牵别人的手，你得先放手

　　在纳米尺度下，金丝或金箔只需要施加较小的力就能发生冷焊，但在宏观尺度，我们不仅要给两块黄金施加压力，还需要让它们相互摩擦。在反复摩擦的过程中，黄金的晶体结构被破坏，金属键也被打乱，这样当相互运动停止时，新的金属键才能建立并稳定下来。

　　伽利略号的天线之所以发生冷焊，一个重要的原因就是在火箭发射过程中产生低频振动，由于探测器天线肋骨之间反复挤压摩擦，其尖端的黄金镀层表面磨损，最终发生了粘连。双子座飞船的舱门机构也同样因为润滑不足，在真空环境下金属部件在开关的过程中紧密接触并摩擦，从而发生冷焊。

　　强大的压力和变形才能实现冷焊

　　我们回顾前面的金条冷焊实验可以注意到，虽然两片黄金十分平整，也接触紧密，但它们之间的晶体是井水不犯河水的，没有足够的能量打破原有的金属键，因此可以很容易掰开。同样的道理也适用于金库，只要金砖之间没有发生摩擦，即使在几百公斤的压力下存放几年，它们都不会粘连在一起。

　　真空中把两块金属并排放在一起实现焊接，其实是需要前提条件的，除了表面干净、紧密接触之外，还需要施加压力、相互摩擦或者通电加热，否则冷焊不会轻易发生。