1700546469
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544682]
1700546470
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 7 透明的玻璃 GLASS
1700546471
1700546472
1700546473
1700546474
1700546475
1700546476
1700546477
1700546478
2001年，我在西班牙安达鲁西亚的乡间小路上曾经见过一个令人心醉神驰的影像。我开车经过当地四处可见的橄榄园，树木从我两旁飞逝，我不停瞥见成排低矮的橄榄树排成完美的直线，有如陈年默片从我眼前闪过，感觉就像那些古老的橄榄树对我施了魔法，让我忘记旅途的无聊与闷热。
1700546479
1700546480
无数次惊鸿一瞥中，那树木成排延伸到天际的景象让人沉迷。我看看前方的道路，看看两旁的魔幻景象，看看路，又看看两旁，结果撞上了一辆拖拉机。
1700546481
1700546482
我到现在还是不晓得它是怎么出现在我的前方的。我猛踩刹车，整个人从座椅上冲向挡风玻璃。我还记得撞到玻璃瞬间的触感。玻璃应声碎裂，我突然定格，宛如撞到一堵透明的姜饼墙。
1700546483
1700546484
沙是岩石经过风吹雨打、海浪冲击或其他侵蚀作用，剥落形成的碎屑混合而成的微粒。抓一把沙起来仔细观察，你会发现许多沙砾都由石英组成。石英是二氧化硅结晶，种类繁多，因为氧和硅是地壳中含量最多的两个元素，化合后会形成二氧化硅（SiO2）。简单来说，石英结晶就是二氧化硅的规则排列，如同冰晶是水分子的规则排列、铁是铁原子的规则排列一样。
1700546485
1700546486
石英受热会让硅、氧原子得到能量开始震荡，但在某个温度之前都无法挣脱晶格的束缚，这就是固体之所以为固体的原因。当原子持续受热震荡到一个临界值，亦即熔点，就会有足够的能量挣脱键结，开始自由迁移，成为液态的二氧化硅。冰晶融化为液态水时，水分子也是如此变化。不过，水分子和二氧化硅分子有很大的不同。
1700546487
1700546488
那就是液态水一旦降温，水分子会立刻结晶为冰。事实上，这个结晶反应几乎无法阻止：从冰箱冷冻库结霜到山上的白雪，都是水再结晶为冰的例子，而雪花的精致结构就来自水分子的对称排列。我们可以不断重复融化和结冻的过程，冰晶也会反复形成。但二氧化硅就不同了。液态二氧化硅冷却时很难再形成结晶，感觉就像二氧化硅忘了怎么变为结晶似的：哪个原子该在哪里，谁该排在谁的旁边，对这些原子来说似乎都变成了难题。加上二氧化硅液体冷却时，原子能量越来越少，越来越难移动，使得情况更是雪上加霜，原子更难回到组成结晶的正确位置，结果就是生成具有液态结构的二氧化硅固体，也就是玻璃。
1700546489
1700546490
1700546491
1700546492
1700546493
硅石（石英）的规则结晶构造和玻璃的不规则构造比较图
1700546494
1700546495
由于二氧化硅无法结晶，就能形成玻璃，你可能因此觉得玻璃做起来很容易，但其实不然。在沙漠里点一堆火，要是风势够大，可能会有沙子熔化，成为半透明的黏稠液体。这液体冷却后确实会硬化成为玻璃，但几乎都会含有大量未熔化的沙粒，外观有如棕色的鳞片，而且很快就会瓦解，再次变为沙粒。
1700546496
1700546497
这种做法有两个问题。首先是大多数沙子里的矿物组成都不对，无法做出好的玻璃。棕色在化学上是不好的预兆，表示含有杂质。颜料也一样，随意混色不会得到纯色，只会产生棕棕灰灰的色调。有些添加物（如碳酸钠，也就是所谓的助熔剂）能促进玻璃生成，但大多数添加物都没有这个能力。沙子虽然富含石英，却也含有风吹雨打带来的各种物质，实在可惜。不过，就算沙子的矿物成分和比例正确，也会遇到第二个问题，就是熔点需要高达1200℃左右，比一般火焰的700℃至800℃还高。
1700546498
1700546499
1700546500
1700546501
1700546502
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544683]
1700546503
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 高温闪电造玻璃
1700546504
1700546505
闪电可以解决这个问题。闪电击中沙漠会产生超过10，000℃的高温，不仅熔化沙子绰绰有余，还能让沙子变成称为硅管石或闪电熔岩的玻璃柱。这些玻璃柱色如焦炭，状似闪电，令人想起雷神托尔发怒射出的雷霆，因此硅管石的拉丁字源（fulgur）意思就是闪电。闪电熔岩因为是中空的，所以重量极轻，它的外层坚硬，内层是光滑的中空管状构造。最先遭闪电击中的沙子受高热蒸发，因此形成中空，中空孔洞向外传热，先把沙子熔化，形成光滑的玻璃层，而再往外传的温度只能让沙子熔合在一起，于是形成粗糙的边缘。闪电熔岩的颜色取决于沙子的组成元素，从灰黑色到半透明的都有。石英沙漠的闪电熔岩就是半透明的。闪电熔岩最长可达15米，非常易碎，因为主体几乎都是轻度熔合的沙子。过去民众只把闪电熔岩当成新奇古怪的东西，直到最近才改观。闪电熔岩生成瞬间会锁住空气，形成气泡，使得远古的闪电熔岩成为很有用的史料，让研究全球暖化的科学家可以通过这些气泡，掌握沙漠过去的气候变化。
1700546506
1700546507
1700546508
1700546509
1700546510
利比亚沙漠发现的闪电熔岩
1700546511
1700546512
利比亚沙漠有一个地区的沙子特别白，几乎完全由石英组成。这里找到的硅管石非常接近晶莹剔透的现代玻璃，一点也不像脏兮兮的闪电熔岩。古埃及图坦卡蒙王木乃伊上的圣甲虫首饰就有一块这样的沙漠玻璃。我们知道这块玻璃不是古埃及人制作的，因为最近研究发现它有2600万年的历史。目前已知只有一种物质跟它类似，就是1945年美国新墨西哥州白沙导弹靶场核试爆时产生的玻璃石。由于利比亚沙漠在2600万年前没有核爆，而生成如此纯净的玻璃需要极高的温度，因此目前认为应该是陨石撞击产生的巨大能量所致。
1700546513
1700546514
1700546515
1700546516
1700546517
古埃及图坦卡蒙王木乃伊上的圣甲虫首饰，中央的宝石就是沙漠玻璃
1700546518