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流變學：固體還是液體？（上）

上初中的時候我們就知道，物質具有三種狀態：液體、固體和氣體。但事實上，世界上還有另外一種物質，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典型的粒例子。在大多數人的印象中，液體是可以流動的，而固體則具有穩定的形狀。鑒于此，有人說，牙膏能從牙膏管中擠出來，它能流動，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”了。

牙膏——固體還是液體？

在物理學與化學的領域中，固體通常是指高度密集的分子有序排列而成的結構地幔是液體還是固體地幔是液體還是固體，這種結構我們就稱之為“結晶”。而液體則是指高度密集的分子處于松散排列狀態的物質。比如說，在冰中，水分子有序排列，形成四面體的晶體結構，而液態水的分子則排列松散，可以自由運動。

冰與水的分子結構

這種結構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，而不具有流動性。在液體中，分子的排列比較松散，運動比較自由，所以在重力的作用下可以流動。此外，固體落地后會彈起，而液體則不會。

針對物質的這種特性開展研究的學問就是“流變學”，可見，流變學并非根據晶體結構，而是根據是否具有流動性來區分固體和液體的，流動的物質就是液體，不流動的物質就是固體。

不過，物質是否在流動，還與一個因素密切相關，這就是時間。毫無疑問，我們都認為水是液體，因為我們每天都會看見隨意流動的水。那么，當物質以極其緩慢的速度流動時地幔是液體還是固體，我們又會怎么想呢？這就不得不說瀝青滴漏實驗了。瀝青滴漏實驗被吉尼斯世界紀錄列為世界上時間最長的實驗，目前已經持續了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品，其作為防水材料廣泛應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的托馬斯-帕內爾教授為了告訴學生們“盡管室溫下瀝青看上去是固體，但其實卻是黏性極強的液體”這一簡單的道理，從而設計了瀝青滴漏實驗。但沒想到，這下玩大發了，這屆學生們是看不到滴落的瀝青了。

屋頂瀝青防漏

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

瀝青滴漏實驗

關注第10滴瀝青滴落的網站

可見，在室溫下，瀝青看上去是一種固體，根本不會流動，但是，它卻以匪夷所思的速度在緩慢流動著。同樣的，我們肉眼所見的正在流動的水，如果用超高速攝像機拍攝的話，也許看上去卻是靜止不動的。這就意味著，某種物質是“流動的”還是“不流動的”，往往因觀察的時間跨度不同而不同乙醇檢測儀，也就是說，時間因素決定著某種物質是“固體”還是“液體”。

更確切地說，一種物質到底是液體還是固體，往往會根據其分子運動的難易程度和觀測時間跨度的不同，而出現“身份的變換”。在流變學上天然氣報警器，我們用“德博拉數”這一概念來表示。德博拉數=分子運動時間/觀察時間，這其中，分子運動時間指的是分子移動相當于自身大小的距離所花費的時間。一般來說，液體的德博拉數小于1，而固體的德博拉數則大于1。或者更準確地說，小于1時，物質就會表現出液體的力學特征，而在大于1時，則表現為固體的力學特征。

舉個例子來說明，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，并沒有形成晶體結構，反倒與液體的內部結構非常相似。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都為100億，所以，我們會認為它們是固體。

另外，我們也都知道，大陸板塊的移動是由于地球內部的地幔流動而引起的。但與硅酸鹽玻璃一樣，地幔的德博拉數也是巨大無比，所以對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。但是，如果用幾億年的時間跨度來看的話，我們就能感覺到地幔是液體。

當然了，很多時候，決定物質表現為固體還是液體，不僅僅是被動的靠時間。當我們做出某些改變時，一些物質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化是怎樣實現的呢？它又有那些具體的應用呢？請看下集吧。返回搜狐，查看更多