七君

由于玻璃硬度很高，一般人會(huì)用金剛石來剪裁玻璃。你能想到用普通剪刀也可以剪玻璃嗎？

這不是天方夜譚。其實(shí)玻璃可以用剪刀剪哦，但需要在水下操作。只要在水下，普通的剪刀就可以剪玻璃了（小朋友不要在沒有成人指導(dǎo)的情況下嘗試）（圖1）。

在水中就可輕松地剪玻璃，請戴好手套

許多人不太明白為什么水下就可以輕松剪玻璃。實(shí)際上，利用水切割玻璃的技術(shù)有數(shù)百年的歷史。莫納什大學(xué)的工程師Ralph Klimek介紹，很久以前的為教堂安裝拼花玻璃的工人就用這招像剪窗花一樣剪玻璃。沒有水的時(shí)候，他們會(huì)用口水潤濕的手指摩擦玻璃，然后再剪。

中世紀(jì)的時(shí)候，工匠們在用燒紅的斧頭切割玻璃時(shí)會(huì)把玻璃表面潤濕，也是運(yùn)用了相同的原理。現(xiàn)在的玻璃廠在切割時(shí)也會(huì)用到水（圖2）。

中世紀(jì)人們先用燒熱的斧頭把潤濕的玻璃切成大塊，然后再對玻璃的邊角進(jìn)行處理

水下剪玻璃到底是什么原理呢？

我們在電影里?？吹剑I賊用鉆石戒指或是碳化鎢玻璃刀切割放置貴重藏品的玻璃罩，這是因?yàn)殂@石和碳化鎢比玻璃硬得多（碳化鎢的莫氏硬度是9.5左右，鉆石是10，普通玻璃是6左右），因此可以在施加很少的力的情況下把玻璃劃開。

如果沒有鉆石那樣硬的東西，要讓玻璃碎裂，就要施加很大的力，比如用拳頭砸。巨大的應(yīng)力會(huì)讓玻璃的裂痕不受控制，因而無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切割。所以精準(zhǔn)切割的關(guān)鍵就是用小力+硬物。

但是眾所周知，普通剪刀很難劃破玻璃（莫氏硬度5.5），為什么在水下就能做到了呢？

簡單來說，水為玻璃加持了魔法化學(xué)的debuff，相當(dāng)于讓玻璃一下子軟了20倍。

這件事要從玻璃的構(gòu)成說起。玻璃的主要成分是二氧化硅（SiO2），硅和氧形成了一個(gè)四面體的結(jié)構(gòu)，四個(gè)氧原子包著一個(gè)硅原子。下圖中硅原子和氧原子之間的棒槌就是讓它們結(jié)合的共價(jià)鍵（圖3）。

紅色代表硅，白色代表氧，此處僅表示結(jié)構(gòu)，元素總比例應(yīng)為1比2

不過，四面體二氧化硅有一個(gè)特點(diǎn)，那就是容易受到水中氫氧根（OH–）的親核攻擊：硅原子更容易受到氫氧根的吸引，因此硅氧之間的共價(jià)鍵很容易被氫氧根打斷，這個(gè)過程就是玻璃的水解。玻璃被水解就是水中的氫氧根對玻璃的一種腐蝕。

從圖4中你可以看到，經(jīng)過氫氧根的插足，玻璃分子原本的結(jié)構(gòu)被破壞了，硅原子和氧原子的緊密關(guān)系完全裂開（圖4）。

水中的氫氧根可以切開硅氧鍵

也就是說，你只要用剪刀在玻璃上開一個(gè)微小的缺口達(dá)到圖4左邊的程度，水就會(huì)幫你再砍一刀，幫你把兩個(gè)二氧化硅分子免費(fèi)拆開。這么一來，切割玻璃所需的能量就減少了。美國能源部的材料化學(xué)家Terry A. Michalske介紹，實(shí)際上，氫氧根的水解作用讓玻璃破裂所需的能量減少20倍。

因?yàn)樵斐伤獾脑獌词菤溲醺灾苯由蠅A性液體的話水解的速度會(huì)更快。這就是為什么玻璃師傅有時(shí)也會(huì)用氨水、燒堿、蘇打水來幫助切玻璃。

玻璃被腐蝕是不是意味著玻璃還會(huì)被水泡化呢？這件事是反直覺的，平時(shí)我們用來喝水的玻璃杯為什么不會(huì)破呢？

這首先是因?yàn)橥旰玫牟Ａ髅笊蠜]有裂痕，沒有氫氧根攻擊的明顯弱點(diǎn)。其次是因?yàn)樵谑覝叵?，水里的氫氧根比較少。因此在室溫下，完好的玻璃的水解速度相當(dāng)緩慢，泡在pH值在8以下的溶液里，二氧化硅玻璃每年才水解10納米。

但是如果玻璃杯已經(jīng)出現(xiàn)了細(xì)小的裂痕，或者經(jīng)常被用來盛放堿性高溫液體，那么玻璃容器的水解速度就會(huì)變快。一些用久了的玻璃杯內(nèi)壁并不清透，看起來有一層白霧，怎么洗也洗不干凈，這就是水解等腐蝕作用留下的痕跡。

另一個(gè)常見現(xiàn)象也和水解作用有關(guān)，水和堿性物質(zhì)同樣能腐蝕水泥中的二氧化硅，上了年紀(jì)的水泥會(huì)膨脹開裂，這在業(yè)界被稱為“混凝土的癌癥”（concrete cancer）。得了癌癥的水泥建筑沒有挽救措施，只能推倒重建。包括加拿大皮克靈核電站A、英國千年球場在內(nèi)的重要建筑都是因?yàn)樗斐傻摹鞍┌Y”而部分或全部報(bào)廢的。

混凝土的癌癥

不僅是二氧化硅，硅單質(zhì)也容易受到水和堿性液體的攻擊，因此半導(dǎo)體行業(yè)制造芯片的工廠也對堿性物體污染有很高的防護(hù)要求。

總之你懂了吧，不在潮乎乎的廁所里玩手機(jī)，是對手機(jī)芯片的基本尊重。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”微信公眾號(hào)，有刪節(jié)）