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魯珀特之淚、防彈玻璃:關於玻璃的二三事 –《10種物質改變世界》

發明耐刮塑膠是材料科學的一大目標。有了它就能製造更輕的窗戶供飛機、火車和汽車使用,也能製造更輕的手機螢幕,但目前還完全見不到任何可能。不過,我們倒是發現了另一個解決方法,不是找東西取代玻璃,而是讓玻璃更安全。這種玻璃稱為強化玻璃,是汽車工業的發明,目的在減少車禍時因玻璃碎片造成的死傷。不過,它的科學起源來自 1640年代一個有名的奇珍異寶,叫「魯珀特之淚」。魯珀特之淚是淚滴狀的玻璃,圓滑的底端能耐高壓,尖銳的頂端只要稍有損傷就會爆裂。它的製作非常簡單,只要把一小滴玻璃熔漿滴入水中就行了。玻璃熔漿入水後會急速降溫,使得表層收縮,所有原子往內壓擠,裂縫因此很難形成。因為只要出現裂隙,擠壓的力道就會把裂隙壓平。如此一來,玻璃表層就變得非常堅硬,用鐵鎚猛敲也不會碎裂,實在很不可思議。

魯珀特之淚,PanSci

魯珀特之淚。

依照物理定律,為了維持表層的壓應力,玻璃內部必須有大小相等、方向相反的「張應力」,因此淚滴中央的原子便受到極高的張力,彼此向外拉開,感覺就像隨時就要引燃的小型火藥庫。只要表層應力稍不平衡,例如尖端稍微凹陷,整顆淚滴就會發生連鎖反應,讓內部的高張力原子全部瞬間彈回原位,使玻璃炸成碎片。這些碎片利得可以割傷人,但小到不會造成大礙。因此要讓擋風玻璃擁有同樣的性質其實很簡單,只要找到方法迅速冷卻玻璃表層,產生如同魯珀特之淚的壓應力即可。依據這個原理製作出來的強化玻璃已經拯救了無數生命,靠著的正是在它在車禍時碎成數百萬個小碎片的能力。

近幾年來,玻璃變得更加安全。我在西班牙撞到的擋風玻璃是最新一代的安全玻璃,稱為膠合玻璃。我會知道那是最新的安全玻璃,是因為它雖然跟魯珀特之淚一樣碎得很厲害,形狀卻仍保持完整,即使我和它同時飛越引擎蓋摔到柏油路上,它依然是完整的一片。這種新型強化玻璃中間夾了一層塑膠,有如黏膠般讓玻璃碎了也不會散裂。這層塑膠稱為夾層,也是防彈玻璃的原理,只是防彈玻璃夾了不只一層塑膠。子彈擊中防彈玻璃時,最外層的玻璃會立刻碎裂,吸收掉子彈的部分能量並讓彈頭變鈍。子彈必須推著玻璃碎片穿透底下的塑膠夾層,而夾層則有如流動的糖蜜,把衝擊力分散到更大的面積,而非集中在一個點上。就算子彈順利穿透夾層,它會遭遇另一層玻璃,一切經歷又得再來一次。

Bulletproof glass window after a burglary attempt

防彈玻璃。Source: wiki/Raymond

玻璃和塑膠夾層愈多,防彈玻璃就愈能吸收能量。一道夾層能阻擋住九釐米手槍子彈,三道夾層能阻擋點四四麥格儂手槍的子彈,八道夾層可以讓你承受 AK47步槍的攻擊。當然,如果玻璃能防彈卻不透明,其實沒什麼意義,因此真正的難題不在夾層,而在讓塑膠和玻璃的折射係數吻合,好讓光線穿透兩者時不會彎折太多。

這種安全玻璃需要精密技術,因此造價昂貴不少,但愈來愈多人願意花錢買心安,使得膠合玻璃開始隨處可見,不僅裝在車上,更出現在現代都市的各個角落,讓都市愈來愈像玻璃宮殿。 2011年夏天,英國許多市區發生暴動。我看著電視畫面,不由自主察覺到這些暴動和我過去看到的都不同。攻擊者用磚頭不再能次次都砸破玻璃,因為許多店家都改裝了強化安全玻璃。這股潮流應該會繼續蔓延,店家不僅用玻璃來保護物品,也保護自己。之前也有人提議使用膠合玻璃製作啤酒杯,希望遏止酒吧和夜店裡的客人拿酒杯當武器。

透過玻璃看見世界

現在我們已經無法想像,若少了玻璃,現代城市會是什麼模樣。我們一方面希望建築物能幫我們遮風擋雨,畢竟這就是建築物的目的,但另一方面,每回談到新家或工作場所時,許多人第一個問的就是,採光如何?現代都市裡每天竄起的玻璃建築,正是工程師面對這個兩難所提出的解答,既能為我們抵擋風雨和嚴寒,不受小偷和外力侵犯,又不必委屈自己生活在漆黑的環境中。許多人每天大多數時間都在建築物裡度過,是玻璃讓我們的室內生活明亮、愉快。玻璃窗成為樂於迎接顧客的象徵,也代表生意往來開放且實在。沒有櫥窗的店面根本不算店面。

玻璃,PanSci

柏林自然博物館的水生生物展示櫃。Source: wiki/LoKiLeCh

玻璃還對我們如何看待自己貢獻良多。你或許在光滑的金屬表面或池塘邊見過自己的倒影,但對我們大多數人來說,玻璃鏡子才是自我形象最後、最親密的裁判。就連相片和錄影畫面也是透過鏡片才得以記錄下來。

有人常說,地球上已經找不到多少地方是人跡未至的了,但這麼說的人往往只想到肉眼可見的世界。只要拿起放大鏡到家裡任何一個角落,就會發現一個全新的世界正等著你探索。強力顯微鏡會帶你進入另一個世界,裡頭充滿各種稀奇古怪的微生物,而望遠鏡會帶你一窺宇宙和其中蘊含的無限可能。螞蟻在螞蟻的世界構築城市,細菌在細菌的國度造橋鋪路,人的世界、城市與文明一點也不特別,只有一點與眾不同,就是我們擁有的一種材料,可以讓我們超越人的尺度,那就是玻璃。

玻璃讓這一切成為可能,我們卻對它缺乏感情。世人很少像對木頭地板或鑄鐵結構火車站一樣謳歌玻璃,也很少輕撫雙層隔熱窗戶欣賞它的質感。這也許是因為玻璃本質上是毫無特色的材質,它光滑、透明而冰冷,少了幾分人味。人類更喜歡色彩豐富、細緻、精巧或奇形怪狀的玻璃,只是這種玻璃往往中看不中用。最有用的玻璃,是我們用來建構現代城市的玻璃,它總是又平又厚,而且完全透明,卻也最不討喜、最難認識,因為它最隱形。玻璃對人類的歷史和生活如此重要,卻未能贏得我們的喜愛。

打破玻璃的感覺是驚嚇、氣惱與疼痛,就像我在西班牙出車禍時那樣,但我們卻不會覺得自己打破了什麼貴重物品。我們只擔心自己,心想反正玻璃再換就好。也許正因為我們總是看穿它而不是看到它,使得玻璃始終無法成為我們生活中備受珍惜的事物。它受人重視的特質正好讓它得不到我們的鍾愛。玻璃不僅在光的世界潛形匿跡,也在我們的文化中隱而不現。

10種物質改變世界,PanSci

本文摘自《10種物質改變世界》,由天下文化 出版。

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