用剪刀怎么剪玻璃

2020-10-14七君

电脑报 2020年38期

七君

由于玻璃硬度很高，一般人会用金刚石来剪裁玻璃。你能想到用普通剪刀也可以剪玻璃吗？

这不是天方夜谭。其实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（小朋友不要在没有成人指导的情况下尝试）（图1）。

在水中就可轻松地剪玻璃，请戴好手套

许多人不太明白为什么水下就可以轻松剪玻璃。实际上，利用水切割玻璃的技術有数百年的历史。莫纳什大学的工程师Ralph Klimek介绍，很久以前的为教堂安装拼花玻璃的工人就用这招像剪窗花一样剪玻璃。没有水的时候，他们会用口水润湿的手指摩擦玻璃，然后再剪。

中世纪的时候，工匠们在用烧红的斧头切割玻璃时会把玻璃表面润湿，也是运用了相同的原理。现在的玻璃厂在切割时也会用到水（图2）。

中世纪人们先用烧热的斧头把润湿的玻璃切成大块，然后再对玻璃的边角进行处理

水下剪玻璃到底是什么原理呢？

我们在电影里常看到，盗贼用钻石戒指或是碳化钨玻璃刀切割放置贵重藏品的玻璃罩，这是因为钻石和碳化钨比玻璃硬得多（碳化钨的莫氏硬度是9.5左右，钻石是10，普通玻璃是6左右），因此可以在施加很少的力的情况下把玻璃划开。

如果没有钻石那样硬的东西，要让玻璃碎裂，就要施加很大的力，比如用拳头砸。巨大的应力会让玻璃的裂痕不受控制，因而无法实现精准切割。所以精准切割的关键就是用小力+硬物。

但是众所周知，普通剪刀很难划破玻璃（莫氏硬度5.5），为什么在水下就能做到了呢？

简单来说，水为玻璃加持了魔法化学的debuff，相当于让玻璃一下子软了20倍。

这件事要从玻璃的构成说起。玻璃的主要成分是二氧化硅（SiO2），硅和氧形成了一个四面体的结构，四个氧原子包着一个硅原子。下图中硅原子和氧原子之间的棒槌就是让它们结合的共价键（图3）。

红色代表硅，白色代表氧，此处仅表示结构，元素总比例应为1比2

不过，四面体二氧化硅有一个特点，那就是容易受到水中氢氧根（OH–）的亲核攻击：硅原子更容易受到氢氧根的吸引，因此硅氧之间的共价键很容易被氢氧根打断，这个过程就是玻璃的水解。玻璃被水解就是水中的氢氧根对玻璃的一种腐蚀。

从图4中你可以看到，经过氢氧根的插足，玻璃分子原本的结构被破坏了，硅原子和氧原子的紧密关系完全裂开（图4）。

水中的氢氧根可以切开硅氧键

也就是说，你只要用剪刀在玻璃上开一个微小的缺口达到图4左边的程度，水就会帮你再砍一刀，帮你把两个二氧化硅分子免费拆开。这么一来，切割玻璃所需的能量就减少了。美国能源部的材料化学家Terry A. Michalske介绍，实际上，氢氧根的水解作用让玻璃破裂所需的能量减少20倍。

因为造成水解的元凶是氢氧根，所以直接上碱性液体的话水解的速度会更快。这就是为什么玻璃师傅有时也会用氨水、烧碱、苏打水来帮助切玻璃。

玻璃被腐蚀是不是意味着玻璃还会被水泡化呢？这件事是反直觉的，平时我们用来喝水的玻璃杯为什么不会破呢？

这首先是因为完好的玻璃器皿上没有裂痕，没有氢氧根攻击的明显弱点。其次是因为在室温下，水里的氢氧根比较少。因此在室温下，完好的玻璃的水解速度相当缓慢，泡在pH值在8以下的溶液里，二氧化硅玻璃每年才水解10纳米。

但是如果玻璃杯已经出现了细小的裂痕，或者经常被用来盛放碱性高温液体，那么玻璃容器的水解速度就会变快。一些用久了的玻璃杯内壁并不清透，看起来有一层白雾，怎么洗也洗不干净，这就是水解等腐蚀作用留下的痕迹。

另一个常见现象也和水解作用有关，水和碱性物质同样能腐蚀水泥中的二氧化硅，上了年纪的水泥会膨胀开裂，这在业界被称为“混凝土的癌症”（concrete cancer）。得了癌症的水泥建筑没有挽救措施，只能推倒重建。包括加拿大皮克灵核电站A、英国千年球场在内的重要建筑都是因为水造成的“癌症”而部分或全部报废的。