为什么蝌蚪状的“鲁珀特之泪”（Prince Rupert's drops）如此坚硬？这个问题自 17 世纪初以来，就一直困扰着科学家，如今终于得到解答。
图 | “鲁珀特之泪”
在 17 世纪，德国的鲁珀特亲王送给英国国王查理二世一些蝌蚪状的玻璃泪滴。这些玻璃物体有着奇妙的特性：泪滴头部可以经受锤子的敲砸，但如果抓住泪滴尾部，稍微施力整颗玻璃泪滴就会立刻碎成粉末。
将融化的玻璃依靠重力自然滴入水中，就会形成“鲁珀特之泪”。多年来，研究人员一直试图解开“鲁珀特之泪”的奥秘，但直到最近，科学家才在现代科技的帮助下得到答案。
1994 年，普渡大学的S·钱德拉塞克兰和剑桥大学的M·M·乔杜里用高速摄影技术观察了泪滴的碎裂过程。他们通过实验得出结论：玻璃泪滴表面具有很很强的压应力，而内部具有很强的拉应力，所以，泪滴处于不稳定的平衡态，尾部则是“鲁珀特之泪”的七寸。
一个悬而未决的问题是，“鲁珀特之泪”内的这些应力是如何分布的。理解了应力分布就能充分解释泪滴头部为何如此坚硬。
为此，钱德拉塞克兰和乔杜里开始和塔林理工大学（Tallinn University of Technology）教授希勒·阿边（Hillar Aben）合作。阿边是研究透明物体三维残留应力的专家。
图 | “鲁珀特之泪”的残留应力通过彩色条纹显示从来
阿边他们用透射偏光显微镜分析了“鲁珀特之泪”应力分布，并将研究结果发表在《Applied Physics Letters》上。
透射偏光显微镜可以测量轴对称透明物体的双折射。在实验中，研究人员将“鲁珀特之泪”悬浮在透明液体中，然后用红色LED照亮玻璃泪滴。他们借助偏光显微镜测量到光通过玻璃滴的光延迟，并用这些数据构建了整个玻璃滴的应力分布。
结果表明，玻璃滴头部表明的压应力高达 700 兆帕，近乎大气压的 7000 倍——这要比之前的预期高得多。而这些压应力的分布却很薄，约占玻璃滴直径的10%。
表面压应力让“鲁珀特之泪”拥有很高的结构强度。要使“鲁珀特之泪”破碎，必须在玻璃滴内部拉伸区形成裂纹，而表面裂纹只会沿着玻璃滴表面发展，不会深入内部拉伸区。但尾部却是“鲁珀特之泪”的阿喀琉斯之踵，因为尾部碎裂会使裂纹传入玻璃滴拉伸区，并迅速从内部土崩瓦解。
至此，“鲁珀特之泪”的硬度问题终于得到解答。
“我们的研究成分解释了玻璃滴头部硬度为何如此之大”，乔杜里说。“我们已经解决了‘鲁珀特之泪’的主要谜团，但或许还会有出乎意料的是新问题出现。”
-End-
编辑：孙小彪
发表于 2017-5-14 00:27
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