问寄居隅怪奇事件簿第四章攻略

这是一个很有意思的问题，昨天晚上与几位朋友进行过一番探讨，现在谈一谈我的观点：
我认为即便是两块“绝对光滑平整”的铁块，将它们平整的表面对着靠在一起，它们也不会变成一块铁。为什么呢？（打磨光滑的铁块）
铁的表面有氧化层我们都知道，铁是会生锈的，这是铁元素与空间中的氧气发生化学反应的结果。铁是地球上第四丰富的元素，位于氧、硅和铝之后。但我们极少能在地球表面找到纯铁，因为它们大部分都被氧化，以氧化铁矿物质如赤铁矿（fe2o3）、磁铁矿（fe3o4）等形式出现，各种铁矿石占了地壳质量的5%左右。铁在空气中会与氧气发生氧化反应，铁块表面的铁原子会与氧气生成三氧化二铁（fe2o3），如果在此过程中有水气参与，还会形成更加复杂的三氧化二铁水合物fe2o3·nh2o和氢氧化铁（feo(oh),fe(oh)3）也就是俗称的铁锈。（严重的铁锈）
实际上本文第一张图中的铁块表面也有氧化层，只不过肉眼不能分辨。由于有一层氧化物的阻隔，即使是将两块打磨得极其平整的铁块放在一起，它们的铁原子间不会相遇，也不会有组成新金属键的机会。那么在真空中，没有了氧化层，两块铁能粘合在一起吗？冷焊焊接是一种以加热、高温或者高压的方式将金属或其他热塑性材料结合在一起的技术，焊接的方式有许多种，但有一种方式比较特别，这就是冷焊。冷焊是应用机械力、分子力或电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺，这意味着不需要给金属加热，只需要对它施加力，金属就可以被“焊”到一起。（通过向两片光洁的金属施加高压使其焊接在一起）
从这个角度看，将两块铁靠在一起，如果它们之间没有氧化物的阻隔，铁原子间通过电子的交换似乎也能达到焊接的目的。一个可能由冷焊造成故障的例子，就是伽利略号木星探测器。（地面组装完成的伽利略号木星探测器，它的上方是张开的伞状高增益天线）
伽利略号木星探测器于1989年10月18日被亚特兰蒂斯号航天飞机送入地球轨道。但在探测器绕地球飞行一周后，地面控制人员发现位于它顶端的高增益天线无法完全打开，它似乎被什么东西卡住了。这个主天线有18个肋骨，像一把大伞，当驱动电机启动并对肋骨施加压力时，它们在发射时被固定的尖端应该从杯子中弹出来。结果只有15个弹出来了，使天线看起来像一把半开的伞，它完全无法工作。（未打开高增益天线的伽利略号绕木星飞行示意图）
为了解决这个问题，工程师尝试对天线进行加热循环，他们先让航天器旋转到10.5 rpm的最大旋转速度以换取离心力，然后反复打开和关闭天线驱动电机，试图用“锤击”的办法使被卡住的天线肋骨尖端松开，在经过13000次的反复尝试后，打开高增益天线的努力最后宣告失败。好在伽利略号还配有另一个小的20瓦功率低增益天线，尽管低增益天线的带宽明显低于高增益天线的带宽。高增益天线的信号发射速率为每秒134 千比特，低增益天线的发射速率仅为每秒8至16比特。但有总好过没有，伽利略还是利用这个小天线完成了许多重要的数据传输任务，包括实现了第一颗编号为951 gaspra的小行星飞越，并在243 ida附近发现了第一颗小行星卫星 dactyl。1994年，伽利略观察到彗星shoemaker-levy 9与木星的碰撞。工程人员事后对伽利略号天线故障的分析认为，高增益天线的表面电镀了一层黄金，这些天线肋骨的表面由于没有涂抹润滑油，发射时产生的振动使肋骨间产生磨损，从而使它们在真空中发生了金属粘接，这就是冷焊。（右方三根天线肋骨被认为“冷焊”在了一起）
冷焊发生的条件太空中由于没有氧气，金属表面不会产生氧化物，失去了氧化物的阻隔，金属在相互摩擦或存在外部强大压力的情况下容易造成原子间形成新的金属键，从而发生粘接的情况。但不是所有的金属都容易被粘接。科学家们发现，当两片直径10纳米以下的超薄金纳米线相互接触时，它们可以在施加非常低的压力下，几秒钟内通过单独的机械接触冷焊在一起。通过高分辨率透射电子显微镜和原位测量表明，焊缝几乎是完美的，具有与纳米线其余部分相同的晶体取向，强度和导电性。（黄金超薄纳米线的合成）
高质量的焊接归因于纳米级样品尺寸，定向附着机制和机械辅助的快速表面扩散。并且目前只在金纳米线之间和银纳米线之间观察到这样的冷焊现象，说明焊接材料本身的金属属性也是其中一个重要条件。（超薄金纳米线的冷焊过程，b中的内置图为小方框中的放大图，清晰的表明了原子的扩散通道）
铁的金属属性与黄金不同铁的原子序数为26，它的原子核中有26个质子和30个中子，核外有26个电子。铁原子的电子轨道分为4层，从内到外分别为2个、8个、14个和2个。（铁原子核外电子分层）
常温状态下，铁原子通过它最外层的2个电子与相邻的铁原子结成金属键，从而形成稳定的体心立方晶体结构。（常温下铁的体心立方晶体结构）
当铁被加热到911.85-1393.85摄氏度（1185-1667 k）之间时，铁原子间的相互连接会发生改变，它的晶体结构会变成与黄金一样的面心立方金属晶体。（高温下铁的面心立方晶体结构）
当两个铁原子团相遇时，它们不会因为相互接触而发生金属键的断裂重组，因为铁的最外层电子已经与其相邻的铁原子组成了稳定的联系。在这种情况下，铁最外层原子会对外来的原子产生静电排斥力。要想打断原有的金属键，必须给它提供额外能量，比如将铁加热到相当高的温度、施加更大的压力或通过强大的电流。总结：冷焊现象在纳米尺度下的黄金或白银纳米线发生，与金银元素本身的原子特性有关，也与其在纳米尺度下原子间相互作用力相关。理论上在真空环境下金或银因为相互摩擦会发生冷焊，航天器在设计和制造过程中也会将活动构件有可能发生的金属粘接因素考虑进去。但这不表示将两块打磨光滑的铁相互靠近就能发生冷焊，从而粘接在一起。要想实现两块铁的焊接，必须要对它们施加外部作用，打破铁原子间已有的金属键结构，从而在两块铁之间形成新的金属键。以上就是我的观点，欢迎你参与讨论。