金庫裡的黃金為什麼不會因冷焊而粘在一起？

你聽說過冷焊嗎？

冷焊是一種神奇的現象。時常聽到有這樣一種說法：將兩個鐵塊或銅塊打磨得非常光滑平整，表面沒有鐵鏽或氧化層，當它們彼此靠在一起時就會融合成一整塊，因為沒有加熱熔融，所以稱為冷焊。至於冷焊發生的原因，有些學過物理的人會告訴你，當兩塊同類的金屬互相接觸時，接觸面的原子們「不知道」它們分屬於不同的陣營，於是「稀裡糊塗地」在一起了。

緊密接觸的鐵塊

果真是這樣嗎？

冷焊是一種物理現象，我們在生產和生活中偶爾也能遇到。比如說螺栓明明沒有生鏽，但它與螺帽卡死了，原因是在緊固的時候彼此摩擦和擠壓，在螺紋接觸的部位發生了冷焊，兩個部分死死咬合在一起，給維修造成很大的麻煩。

緊固螺栓容易發生冷焊

但在其它場合，我們很少會聽到兩塊金屬粘在一起無法分開的故事。究其原因，是因為地球表面充滿了氧氣，大多數的金屬會跟氧氣發生化學反應，從而在表面生成氧化層，氧化層阻隔了金屬的直接接觸，就像是彼此穿著衣服，無法坦誠相見。

衣服就像是金屬的氧化層

黃金沒有氧化層

聰明的你一定想到了，黃金不會被氧氣氧化，它是沒有氧化層的。那麼，當兩塊純金疊放在一起時，它們會不會發生冷焊而無法分開呢？

黃金表面沒有氧化層

沒有聽說過誰家的金首飾因為擱的時間長了，它們粘在一起分不開了。也沒聽說過美國金庫碼放的金錠都焊成了一大坨。

金庫人員在檢查金錠

太空中的冷焊

太空基本是真空狀態，那裡基本沒有空氣，自然也沒有氧氣，所以航天科學家們需要重點考慮冷焊的問題。

一個經典的案例是美國1990年發射的伽利略號太空探測器，它的任務是探索遙遠的木星。為了解決幾億公裡距離的通信問題，伽利略號上攜帶了一個直徑4.8米的高增益天線，這個天線在發射時像一把傘一樣收起，進入轉移軌道後會張開來傳輸信號。

伽利略號的高增益天線表面鍍了金

但是，當伽利略號順利升空入軌之後，地面控制人員卻發現這個天線沒辦法完全張開，它的18根傘肋骨中有3根被粘住了。分析的結論是這個由鉬絲編織的天線表面鍍了一層黃金，而黃金在火箭升空的過程中發生了冷焊，傘肋粘在一起再也沒辦法分開。最後伽利略號不得不用另一個低頻天線來代替，信號傳輸的效率大打折扣。

天線的傘肋發生冷焊無法展開

其實早在1965年美國雙子座-4飛船飛行任務中也出現過太空冷焊故障。當時太空人懷特在執行出艙任務時，打開艙門碰到了彈簧和齒輪機構咬合問題，當他完成20分鐘太空行走實驗回到飛船時，卻發現艙門關不上了，鎖定機構被卡住，最後費了九牛二虎之力才修復故障關好艙門，從而避免一起船毀人亡的災難。

雙子座-4太空人差點關不上艙門

科學家們認為，在太空中之所以容易發生冷焊，一個重要原因就是太空中沒有氧氣，當金屬表面的氧化層被破壞後，它們的接觸面的原子容易發生擴散結合，從而將兩塊金屬粘在一起。

由此人們得出結論，在失去氧化層的保護後，金屬之間會發生冷焊。

地面的冷焊實驗

我們在前面提到，黃金不會被氧化，它的表面沒有氧化層，為什麼我們的金首飾和金條沒有出現冷焊呢？難道黃金有假？

有一位外國的「土豪」就做了這樣一個實驗：他買來兩個1克重的9999金條，將其中的一面打磨得非常光滑平整，再用力壓在一起，看起來兩片黃金成功地粘上了。然而在過了一段時間後，這兩片純金薄片還是能被輕鬆掰開，沒有發生設想中的冷焊。

兩片小純金條

表面打磨平整光滑

用力壓在一起

似乎粘上了

輕鬆掰開

我們看到兩片黃金粘連，實際上是因為它們的表面很光滑，接觸面的空氣被完全排出，四周的大氣壓力將它們壓在一起，並不是發生冷焊的結果。

也許你覺得他手指擠壓的力度不夠大，那就讓我們回到金庫，看看他們是如何堆放金錠的吧。在倫敦的一個金庫裡，12.4公斤（400金衡盎司）一塊的金錠被堆到一人多高，最底面那一層金磚承受了超過360公斤的壓力，但它們並沒有粘在一起。

堆疊的金磚

美國是世界上最大的黃金儲備國和交易市場，為了交易方便，其它國家也有相當數量的黃金儲存在美國。我們再來看看美國的一座地下金庫，沉甸甸的金磚一直碼放到了天花板，最下面的金磚承壓超過500公斤，也一樣沒有發生冷焊現象。

底部的金磚壓力山大

為什麼冷焊不容易發生？

實踐證明，那種「金屬靠在一起就會發生冷焊」的觀點是錯誤的。即便金屬表面沒有氧化層，即便是最容易發生冷焊的黃金，即便它們已經很緊密地接觸了相當長時間（金庫並不會三天兩頭地倒騰黃金，很累的），冷焊依然不會發生。

我們見到的絕大多數金屬都是由金屬鍵結合而成的晶體，比如說鐵在常溫下是體心立方晶體，在高溫下變成面心立方；金是面心立方的晶體。

黃金的鍵合示意圖

在已經形成的金屬晶體中，所有的原子都已經形成了手拉手的關係，晶界表面對其它原子的加入是排斥的，並不會因為自由電子的交換而自然形成新的金屬鍵。要想實現晶界的融合，我們需要給它們施加額外的能量，以破壞晶體內部已有的金屬鍵合，從而形成新的金屬鍵。這個外部施加的能量要麼是足夠的壓力，要麼是足夠高的溫度，或者二者兼而有之。

要想牽別人的手，你得先放手

在納米尺度下，金絲或金箔只需要施加較小的力就能發生冷焊，但在宏觀尺度，我們不僅要給兩塊黃金施加壓力，還需要讓它們相互摩擦。在反覆摩擦的過程中，黃金的晶體結構被破壞，金屬鍵也被打亂，這樣當相互運動停止時，新的金屬鍵才能建立並穩定下來。

伽利略號的天線之所以發生冷焊，一個重要的原因就是在火箭發射過程中產生低頻振動，由於探測器天線肋骨之間反覆擠壓摩擦，其尖端的黃金鍍層表面磨損，最終發生了粘連。雙子座飛船的艙門機構也同樣因為潤滑不足，在真空環境下金屬部件在開關的過程中緊密接觸並摩擦，從而發生冷焊。

強大的壓力和變形才能實現冷焊

我們回顧前面的金條冷焊實驗可以注意到，雖然兩片黃金十分平整，也接觸緊密，但它們之間的晶體是井水不犯河水的，沒有足夠的能量打破原有的金屬鍵，因此可以很容易掰開。同樣的道理也適用於金庫，只要金磚之間沒有發生摩擦，即使在幾百公斤的壓力下存放幾年，它們都不會粘連在一起。

真空中把兩塊金屬並排放在一起實現焊接，其實是需要前提條件的，除了表面乾淨、緊密接觸之外，還需要施加壓力、相互摩擦或者通電加熱，否則冷焊不會輕易發生。