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让固体流动起来

已有 806 次阅读 2022-11-17 17:20 |个人分类:胡思乱想|系统分类:科研笔记

读书读到大学后,逐渐发现高中时学的物理和化学都是不准确的。比如可燃固体和可燃液体的说法并不准确,也可以说只有气体才能燃烧,固体和液体必须先气化才能与助燃物(氧气)混合、才能燃烧;再比如液体蒸发,重要的不是沸点而是分压,并不是只有到了沸点才会气化,否则日常洗过的衣服将无法晾干。

 

最近琢磨流体,颇有启发。

 

一般我们会默认气体和液体能流动,而固体不会流动。

作为一个化学相关的从业者,对这种理所当然的、一刀切的论断始终保持警惕。

流动的本质是什么?

是哪些因素决定了物质是否能流动?

 

根据某度百科对流体的定义“一种受任何微小剪切力的作用都会连续变形的物体”可知,在物理层面,流动意味着物质内部不同原子之间的相对位置发生变化。

水从山上流到山下,形状发生了翻天覆地的变化,而汽车从山上开到了山下,形状没有发生变化,内部原子之间的相对位置没有发生显著改变。它们的另一个区别在于,水与水、水与河床之间发生的是滑动摩擦,而汽车和道路之间发生的是滚动摩擦。关于摩擦的经典是最大静摩擦大于动摩擦,或者更准确地按照摩擦学中老化概念的描述,两个表面相对静止接触的时间越长,启动摩擦力就越大

由此可以想到在化学层面,流动意味着分子间作用关系的的破坏和重建。水很容易分开又混在一起,面粉团切成两半后还能接在一起,石头劈成两半就成了两块石头。水等小分子之间相互作用关系较弱,氢键随时都在断裂和重新形成;汽油的分子之间没有氢键,流动更容易。淀粉等聚合物的分子链之间存在热运动,像鞋带一样可以拉开,也可以缠在一起。石头等无机物整体上是一团大分子,当石头发生剪切形变的时候,剪切面上的化学键断裂,变成两块石头。

由于流动发生在分子间,容易想到:

1)分子越小越有利于流动,越有可能发生连续变形。

2)分子与分子之间的摩擦力越小,越有可能在微小的剪切力作用下发生变形。

 

思想实验1:石头的尺寸无限变小会怎样?

有趣的是,随着石头尺寸变化,名称也会有所不同。直径在5厘米以上的称为石头很正常,直径0.5-3厘米的往往被称作石子,直径0.1-5毫米的称作石砂或砂石,微米级的称作石粉。

现在很流行纳米的概念,咱们石头也给它做成纳米寸的。

地壳的主要成分是硅铝酸盐,也是石头的主要成分,拆分一下是硅酸盐和铝酸盐,比如硅酸钙和铝酸钙是常见水泥的主要成分。水泥颗粒的大小约为1-100微米,风一吹全是粉尘,加点水就成了类似面团的水泥浆,似乎已经开始有流动性。比水泥颗粒的尺寸再小1000倍,就是1-100纳米,这么小的颗粒用肉眼是看不到的,分散在水中形成的胶体是透明或半透膜的,用激光照射可以看到丁达尔现象,流动性非常好。

如果再小一点,把石头拆成一个一个的硅酸盐分子,做到亚纳米级——比如把石头加热到气化——会怎样?都变成气体了,当然是纯纯的流体啊。

果然,非流体的固体,随着尺寸的变小,是可以转变为流体的。

 

思想实验2:把纳米尺寸的石头磨成光滑球形会怎样?

一堆完美的纳米石头小球放在一起,相互之间的滑动摩擦小到可以忽略,从宏观上看,就可以在微小的剪切力下发生连续形变。

 

综上可知,固体和流体之间并没有清晰的分界线。

只要尺寸足够小、颗粒足够圆滑,就可以发生流动。

 

流体和非流体甚至可以融为一体。

水是流体,食用盐是非流体,把食用盐加到水中溶解,盐水是流体:流体可以把非流体转化为流体。

那么,如果在石头表面接上本来是流体的物质会怎样?

比如在微米尺寸的石头表面,接枝厚度为10nm的硅油,由于硅油分子和硅油分子之间是容易发生相对位置改变的,微小的剪切力就可以使接枝的石头颗粒发生连续形变,宏观上看便发生了流动。

不仅如此,还可以做成是一半固体一半液体的颗粒液体、一段固体一段液体的聚合物,或是把流体改性的固体颗粒掺杂到连续的流体中,形成类似于胶体的组合物。

 

看到这里,你还分得清流体和非流体吗?



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1 刘钢

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