兩塊表面絕對光滑的鐵塊,放在一起會不會變成一塊鐵?
2021-01-19 宇宙探索(加微信：yzts111111，拉你進微信群，一起探索宇宙奧秘）
這是一個很有意思的問題，談一談我的觀點：
我認為即便是兩塊「絕對光滑平整」的鐵塊，將它們平整的表面對著靠在一起，它們也不會變成一塊鐵。
為什麼呢？
（打磨光滑的鐵塊）
鐵的表面有氧化層我們都知道，鐵是會生鏽的，這是鐵元素與空間中的氧氣發生化學反應的結果。
鐵是地球上第四豐富的元素，位於氧、矽和鋁之後。但我們極少能在地球表面找到純鐵，因為它們大部分都被氧化，以氧化鐵礦物質如赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）等形式出現，各種鐵礦石佔了地殼質量的5%左右。
鐵在空氣中會與氧氣發生氧化反應，鐵塊表面的鐵原子會與氧氣生成三氧化二鐵（Fe2O3），如果在此過程中有水氣參與，還會形成更加複雜的三氧化二鐵水合物Fe2O3·nH2O和氫氧化鐵（FeO(OH), Fe(OH)3）也就是俗稱的鐵鏽。
（嚴重的鐵鏽）
實際上本文第一張圖中的鐵塊表面也有氧化層，只不過肉眼不能分辨。
由於有一層氧化物的阻隔，即使是將兩塊打磨得極其平整的鐵塊放在一起，它們的鐵原子間不會相遇，也不會有組成新金屬鍵的機會。
那麼在真空中，沒有了氧化層，兩塊鐵能粘合在一起嗎？
冷焊焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式將金屬或其他熱塑性材料結合在一起的技術，焊接的方式有許多種，但有一種方式比較特別，這就是冷焊。
冷焊是應用機械力、分子力或電力使得焊材擴散到器具表面的一種工藝，這意味著不需要給金屬加熱，只需要對它施加力，金屬就可以被「焊」到一起。
（通過向兩片光潔的金屬施加高壓使其焊接在一起）
從這個角度看，將兩塊鐵靠在一起，如果它們之間沒有氧化物的阻隔，鐵原子間通過電子的交換似乎也能達到焊接的目的。
一個可能由冷焊造成故障的例子，就是伽利略號木星探測器。
（地面組裝完成的伽利略號木星探測器，它的上方是張開的傘狀高增益天線）
伽利略號木星探測器於1989年10月18日被亞特蘭蒂斯號太空梭送入地球軌道。但在探測器繞地球飛行一周後，地面控制人員發現位於它頂端的高增益天線無法完全打開，它似乎被什麼東西卡住了。這個主天線有18個肋骨，像一把大傘，當驅動電機啟動並對肋骨施加壓力時，它們在發射時被固定的尖端應該從杯子中彈出來。結果只有15個彈出來了，使天線看起來像一把半開的傘，它完全無法工作。
（未打開高增益天線的伽利略號繞木星飛行示意圖）
為了解決這個問題，工程師嘗試對天線進行加熱循環，他們先讓太空飛行器旋轉到10.5 rpm的最大旋轉速度以換取離心力，然後反覆打開和關閉天線驅動電機，試圖用「錘擊」的辦法使被卡住的天線肋骨尖端鬆開，在經過13000次的反覆嘗試後，打開高增益天線的努力最後宣告失敗。
好在伽利略號還配有另一個小的20瓦功率低增益天線，儘管低增益天線的帶寬明顯低於高增益天線的帶寬。高增益天線的信號發射速率為每秒134 千比特，低增益天線的發射速率僅為每秒8至16比特。但有總好過沒有，伽利略還是利用這個小天線完成了許多重要的數據傳輸任務，包括實現了第一顆編號為951 Gaspra的小行星飛越，並在243 Ida附近發現了第一顆小行星衛星 Dactyl 。1994年，伽利略觀察到彗星Shoemaker-Levy 9與木星的碰撞。
工程人員事後對伽利略號天線故障的分析認為，高增益天線的表面電鍍了一層黃金，這些天線肋骨的表面由於沒有塗抹潤滑油，發射時產生的振動使肋骨間產生磨損，從而使它們在真空中發生了金屬粘接，這就是冷焊。
（右方三根天線肋骨被認為「冷焊」在了一起）
冷焊發生的條件太空中由於沒有氧氣，金屬表面不會產生氧化物，失去了氧化物的阻隔，金屬在相互摩擦或存在外部強大壓力的情況下容易造成原子間形成新的金屬鍵，從而發生粘接的情況。
但不是所有的金屬都容易被粘接。
科學家們發現，當兩片直徑10納米以下的超薄金納米線相互接觸時，它們可以在施加非常低的壓力下，幾秒鐘內通過單獨的機械接觸冷焊在一起。通過高解析度透射電子顯微鏡和原位測量表明，焊縫幾乎是完美的，具有與納米線其餘部分相同的晶體取向，強度和導電性。
（黃金超薄納米線的合成）
高質量的焊接歸因於納米級樣品尺寸，定向附著機制和機械輔助的快速表面擴散。並且目前只在金納米線之間和銀納米線之間觀察到這樣的冷焊現象，說明焊接材料本身的金屬屬性也是其中一個重要條件。
（超薄金納米線的冷焊過程，b中的內置圖為小方框中的放大圖，清晰的表明了原子的擴散通道）
鐵的原子序數為26，它的原子核中有26個質子和30個中子，核外有26個電子。鐵原子的電子軌道分為4層，從內到外分別為2個、8個、14個和2個。
（鐵原子核外電子分層）
常溫狀態下，鐵原子通過它最外層的2個電子與相鄰的鐵原子結成金屬鍵，從而形成穩定的體心立方晶體結構。
（常溫下鐵的體心立方晶體結構）
當鐵被加熱到911.85-1393.85攝氏度（1185-1667 K）之間時，鐵原子間的相互連接會發生改變，它的晶體結構會變成與黃金一樣的面心立方金屬晶體。
（高溫下鐵的面心立方晶體結構）
當兩個鐵原子團相遇時，它們不會因為相互接觸而發生金屬鍵的斷裂重組，因為鐵的最外層電子已經與其相鄰的鐵原子組成了穩定的聯繫。在這種情況下，鐵最外層原子會對外來的原子產生靜電排斥力。要想打斷原有的金屬鍵，必須給它提供額外能量，比如將鐵加熱到相當高的溫度、施加更大的壓力或通過強大的電流。
總結：冷焊現象在納米尺度下的黃金或白銀納米線發生，與金銀元素本身的原子特性有關，也與其在納米尺度下原子間相互作用力相關。理論上在真空環境下金或銀因為相互摩擦會發生冷焊，太空飛行器在設計和製造過程中也會將活動構件有可能發生的金屬粘接因素考慮進去。但這不表示將兩塊打磨光滑的鐵相互靠近就能發生冷焊，從而粘接在一起。要想實現兩塊鐵的焊接，必須要對它們施加外部作用，打破鐵原子間已有的金屬鍵結構，從而在兩塊鐵之間形成新的金屬鍵。
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