两块有一面绝对光滑平整的铁块，对着放在一起能不能变成一块铁？ 第1页

正文

之前我答过类似的问题 ，不过那个更加侧重于界面生成与物体表面的物理学吸附作用的关系。

在空气中，或者更加广义地说，在任何流体氛围中是不可以的。因为固体物质的表面、界面相会由于朝向物质内部与外部受到的分子间相互作用的不相称而物理性吸附数层环境分子，而在两块铁板相互贴近的时候，是无法将被吸附的数层分子层排出的。

但如果实在真空环境就不一样了，两个金属块在表面没有氧化层的前提下相互接触，确实会发生粘连形成一块金属。这是因为界面层的金属原子在于其他界面发生接触时，会“忘记”自己是界面层的历史（微观环境全同）。这个现象被称为冷焊。

关于冷焊的历史，详见维基百科 相关词条，现做摘录如下：

Cold welding was first recognized as a general materials phenomenon in the 1940s. It was then discovered that two clean, flat surfaces of similar metal would strongly adhere if brought into contact under vacuum. Newly discovered micro- and nano-scale cold welding has already shown great potential in the latest nanofabrication processes.

笔者译：冷焊第一次被人们认识到是在20世纪40年代，当时被人作为一种广义材料学现象接受的。该现象指两块具有平滑、洁净的相似金属会在真空环境中彼此接触的情况下发生强烈的粘连。新近研究表明，微观和纳米尺度的冷焊已经在在最新的纳米制造工艺上显现出巨大的潜力。

Q&A

：在真空中，物体“忘记”自己的界面层的历史，是不是意味着在足够长的时间后，物体的界面层会变得模糊？界面层的话原子脱离界面层？

：这个物体“忘记”自己是界面层的说法是一个文学性修饰，事实上物体发生粘连的原因是因为在接触的时候接触面的围观状态与物体内部的围观状态无异，也就是括号里提及的所谓围观状态全同；换句话说，由于真空状态下不存在物理学吸附（physisorption)，所以此时物体表面可以被理解为“裸露的内部”（这仍然是文学性修饰）

：中学的时候讲物理曾经做过铅块的粘连实验，稍微加一些压力两个铅块就不太牢固的粘在一起了。请问和这个原理是一回事吗？

：不太一样，高中时候的铅块实验主要基于物质的扩散。而由于金属铅在空气中会很快发生氧化，生成一层暗灰色的氧化物 ，所以需要施加压力：因为金属铅较软，在两个物块的接触面的法线方向上施加外力会导致金属形变，增大接触面的表面积，而新增加的表面积部分则是还未来得及氧化的裸露金属表面，可以理解为“裸露的内部”。

：就像橡皮泥一样？

：橡皮泥依靠的是其作为Bingham流体的黏性，这又是另外一回事儿了（笑

：不过想和作者讨论一下“裸露的内部”这个提法，哪怕没有物理吸附的分子，表面由于断键(dangling bond)的存在，和内部(bulk)还是不一样的吧？

：嗯！你这个角度确实是我之前忽略的；（按照翻译惯例我们姑且称之为）悬挂键的存在我个人认为要从四方面来说：（1）悬挂键应该不会造成额外的物理学吸附，基于悬挂键的吸附恐怕是化学吸附（我想）；（2）悬挂键对物理学吸附可能造成的影响应该会是：由于悬挂键导致的化学吸附，使得被化学吸附的物质占据了一定数量的表面积，从而减小了物理学吸附的总量；（3）金属的悬挂键这个概念我觉得很暧昧在于：悬挂键的概念旨在强调晶格突然终止导致的未配对电子 ，但是对于具有电子海结构的金属来说，电子在整个材料的宏观范围上离域，这使得我们讨论悬挂键时的语境非常诡异；（4）其实无论有没有悬挂键，所谓“裸露的内部”都必然与材料的真实内部（bulk）不全同，这是因为“表面层原子朝向材料外部与材料内部所受到的分子间相互作用不对称”这个事实是不变的。所以综上而论，的确使用这个比喻性质的说法会失去一定严谨性。

Ref.

[1] 破镜为什么不能重圆？

[2] Cold welding - Wikipedia

[3] Lead - Wikipedia

[4] 悬挂键_百度百科

如果是在空气中，两块即便是绝对光滑平整的铁块，它们对着放在一起也无法合成一块铁。但在真空中，两块铁块可以合成一块，这就是冷焊原理。

在空气中的时候，与空气接触的那部分铁会吸附气体分子。并且铁还会被氧气氧化，形成氧化膜。由于气体分子和氧化膜的存在，阻止了两块铁结合在一起，所以在空气中不会出现冷焊的现象。

然而，在真空中，两块绝对光滑平整的铁块可以结合在一起，其原理在于原子扩散。可能有些人会有疑问了，铁块不是固体吗，为什么铁原子还能运动和扩散呢？

事实上，只要粒子的温度高于绝对零度（-273.15 ℃），其动能就会大于零，所以它们必然存在某些方式的运动，例如，平动，另外还有振动、转动。无论粒子组成的宏观物体呈现为固态、液态、或者气态，或者其他物质状态，组成粒子都会存在运动。只是与液态和气态物质中的粒子相比，固态物质中的粒子运动幅度要小得多，并且这种运动不会改变物质状态。在固体中，原子会不断转移、混合、交换位置，这就是原子的自由扩散现象。

上图为金纳米线的冷焊现象

在真空中，铁的表面没有气体分子和氧化膜的阻挡，两块铁中的原子可以自由扩散，它们最终也会形成金属键，所以就能紧密地结合到一起。对于尺寸越小的金属，越容易发生冷焊的现象，科学家发现直径小于10纳米的单晶超薄金纳米线能在几秒钟内被冷焊在一起，所要施加的压力非常低。

由于冷焊现象的存在，在太空中运行的航天器曾因此出过故障，比较有代表性的例子是NASA的伽利略号木星探测器。当年，伽利略号的主天线没能正常展开，其原因就是天线的金属骨架与其他金属元件发生了冷焊。