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首发:~第4章:分形晶体
姜宇航也不知道自己是怎么拐进这个游乐场的。中午和一家合作厂商的代表吃了饭,席间他们的领导说,必须要共享更多的技术细节,要不然双方很难合作,而且有可能会带来很多后续的麻烦。姜宇航觉得他们在威胁自己,威胁宏硕集团,毕竟他们有国资背景。然后就不断灌酒,全都喝的醉醺醺的。完了姜宇航没和他们一起回去,他想自己随便走走,醒醒酒,不知不觉就走到这个游乐场里来了。
几年前,姜宇航被王伟拉进宏硕集团,担任宏硕研究所东海研究院的院长。这是一个因为触发石而新成立的研究院,名字来源于传说中的东海龙宫,那里也有一根神奇的铁棍。一开始,他多少有点诧异,觉得是老同学抬举自己。他不过是一个普通的大学副教授,学术成就也不突出,何德何能担此重任。但他很快就知道,王伟也是迫不得已。他们要研究的东西太过奇特,太过宝贵,以至于王伟根本就不敢将其托付给陌生的外人。一开始,王伟甚至不知道该怎么处理这块古怪的石头,他想过把他交给国家的研究机构,但思来想去,还是决定留下来。他从中嗅到了巨大的商机,一个比他现在的房地产事业大数百倍的商机。但在搞清楚这块石头的根底之前,这一切都还只是虚无缥缈的幻影。他需要一个真正信任的人来帮他拂去笼罩着的层层迷雾。
姜宇航永远记得那个下午,当王伟把那块石头和一根铁棍贴在一起时,那铁棍在颤动中缓慢膨胀起来的怪异场景。膨胀过程伴随着嗡嗡的鸣响,从铁棍内部传出。一旦把石头和铁棍分开,膨胀立刻就停止了。姜宇航试着摸了摸铁棍表面,温度明显升高了。联想到刚才听到的嗡鸣声,他立刻意识到,这是内部原子的振动造成的。可是,为什么会发生振动呢?他拿起铁棍,感觉其重量和之前并无区别,这意味着物质的总量似乎并没有发生变化,这让他稍微松了口气。如果这棍子的质量也随着膨胀增加了的话,他可就真没辙了,因为一旦质量守恒被打破,那意味着整个人类的科学体系几乎都要重写。而现在看来,膨胀似乎只对应着体积的增大,这就好办多了,至少他能勉强想出几个可能的机制了。
王伟说,这石头厉害吧,他说厉害,太厉害了。王伟说,这东西是怎么回事,你看明白了吗?他摇了摇头,说让固体体积增大的机制有很多,比如热膨胀效应、电致伸缩效应,还有压电效应的逆效应等等,但没有一个跟眼前的现象能对应得上的。王伟说,不急,我们慢慢研究。姜宇航说,好,我明天就去学校辞职。想了想又说,我手下有几个研究生,资质还不错。王伟说,如果你觉得好用,可以一起带过来,不过都要签保密协议。姜宇航说,那行。王伟问,你需要些什么仪器,通通报给我,我尽快买齐。姜宇航说,我待会儿列个单子,晚点发给你。王伟说,经费方面不要有顾虑,该买就买,我们不差钱。姜宇航说,这个我知道。王伟又补充道,也不用走流程竞价。说完两人都哈哈大笑起来。
虽然已经有心理准备,但这石头带来的现象之诡异,仍然超出了姜宇航的预期。在高端仪器没有到位之前,他做了一系列的初级实验。首先,让不同种类的材料与石头接触,观察其引发的体积膨胀效应。从铁、铜、铅、铝等金属及其合金,到不同的氧化物陶瓷,到玻璃等非晶体材料,再到塑料、橡胶等高分子聚合物,最后连液晶、胶体和生物体等软凝聚态物质都试过了。然而,让人失望的是,大多数材料的膨胀效应小得可怜,用肉眼几乎观测不出来。姜宇航不得不把目光重新转回到最初的铁棍上。奇怪的是,同样是铁棍,一般的样本根本就达不到最初那根的膨胀系数。他问王伟,最初那根铁棍是怎么来的,王伟说其实我是在一次偶然的状况下,观察到石头触发的膨胀现象,那根棍子当时就躺在路边,可能是从旁边的玻璃厂里扔出来的废弃物。虽然王伟这样说,但姜宇航仍意识到,那根棍子一定具有某种特别之处。只要弄清楚这一点,其膨胀之谜或许就可以迎刃而解。
在第一批购买的仪器清单里,就有工业ct和相控阵超声探伤仪。姜宇航想首先通过无损检测的方式,来看看这跟铁棍的内部结构。在不同的角度上进行超声波检测后,他发现这跟铁棍的内部就有数量众多的微小裂缝。超声波在传播的路径上遇到裂缝时,在空气与金属的接触界面上会发生反射,这样就可以通过反射波反推铁棍中的裂缝分布的状况。至于工业ct,它发射的则是x射线——一种能量很高的电磁波,不仅分辨率很高,而且可以通过断层扫描的图像计算裂缝的宽度。姜宇航立刻意识到,这些裂缝大概就是铁棍能大幅膨胀的关键。后来他才知道,这跟铁棍是玻璃厂里用来搅动熔融玻璃液的器件之一,其中的裂缝正是在材料不断的加热和冷却过程中所产生的,也就是所谓的热疲劳裂纹。
为了验证自己的假设,他从铁棍中截取了一部分,此时触发石仍然可以让其大幅膨胀。接着,他在截取物的两端接入高密度的脉冲电流,使部分裂纹面上的原子重新成键愈合,从而修复了一部分裂纹。将这部分处理后的铁棍样本进行触发,果然不出所料,膨胀系数显著地下降了。
可是这一切又是为什么呢?裂纹的存在和物体的膨胀有什么关系呢?归根结底,还得从触发石上去寻找原因。对这块石头的检测,姜宇航可就小心多了——毕竟就此一块,一旦损坏可就无可挽回了。超声波探测没有发现什么特别之处,可ct检测一下子就有了发现。在石头的内部,有一块裂纹状的阴影区域,在成像图上极为清晰。姜宇航心想,怪了,如果石头内部有裂纹,超声波检测为何没有显示呢?转念一想,这肯定不是普通的裂纹。就目前的结果来看,裂纹的界面处并不反射超声波,但是却会反射电磁波。这到底是个什么东西呢?他对着石头绞尽脑汁地想了半天,却毫无头绪。有一度,他甚至想切开石头直接看看,但终究还是忍住了这种冲动。不用急,他想,有的是办法,心急吃不了热豆腐。反正石头就在这里,它也不会自己跑了。
对石头的研究暂时中止了以后,姜宇航把研究方向重新转到石头对其他物体的膨胀触发的规律上来。这其中有一个很明显的相似关联,就是石头内部具有某种不明成分的裂缝状结构,而之前膨胀效应最明显的那根铁棍,其内部同样具有数量众多的疲劳裂纹。他猜测,这两者之间必然具有某种关系。他通过液压伺服疲劳试验机,预制了一批具有不同程度疲劳裂纹的金属材料,通过与触发石的接触,发现它们的膨胀系数果然比一般情况下高得多。这也验证了他的猜测。
老板,你的票呢?一个矮胖的中年男子走过来,手里拿着一叠门票。姜宇航这才反应过来,这个游乐场是需要买票的。他奇怪自己在进门的时候怎么没有遇到阻拦,但现在再退出去显然已经迟了,他也不太好意思做这种事,于是问明了价格,买了一张门票。矮胖男子撕了一张票给他,说再等几分钟表演就开始了,让他稍等片刻。他扫了一眼露天的观众席,上面稀稀拉拉地只坐了几个人。既然已经买了票,他也就随便找了个位置坐下,并不是为了看什么表演,只是为了找个地方醒醒酒,顺便整理一下自己的思绪。
在明确了材料中的裂缝和它的触发膨胀之间具有明确关系后,姜宇航开始在各种材料中制造形态各不相同的裂缝,测量它们的膨胀系数。虽然其中的物理机制并不清楚,但应用研究可以先搞起来,并不需要把一切都弄得明明白白再动手。在人类的科学技术发展史上,很多时候都是如此。比如说,即便是现在,人类对于高温超导体的超导机制,也就是说它的电阻为什么会变为零,都没有得出一个明确的结论,但这并不妨碍人们在磁悬浮列车、托卡马克聚变等领域中大量应用这些高温超导材料。测量结果显示,物体的膨胀系数似乎仅仅和其中的裂缝结构相关,而与其本身是什么材料关系不大。即使是岩石与合金这种各方面性质迥异的材料,只要其内部的裂缝结构、尺寸和分布相似,它们在触发后的膨胀率就相差无几。
但进一步的量化研究遇到了一些难题,那就是很难对裂缝的产生过程进行精细的调控。不管是通过热循环、慢应变速率拉伸、高压撞击还是其他方式,预制裂缝的形态其实都是在众多随机过程的作用下形成的。你根本无法在两个样本中产生一模一样的裂纹。他特地赶去中国矿业大学,找到李~青教授讨论了这个问题。李~青是这方面的专家,他明确地对姜宇航说这不可能。他对姜宇航为何要精细调控裂纹形态产生了好奇,但姜宇航并不打算告诉他真实原因,只是随便找了个理由应付过去了。研究僵持了一段时间,直到有一天,一位研究生找到他,说有了一个重大发现。研究生叫孙剑,之前在一家国企工作,岁数不小了,但不知怎么又辞职考了研,目前跟着姜宇航在做项目。虽然大部分时候都待在宏硕,这边也给他发工资,但其实他的学籍还留在原来的学校,以后的毕业证和学位证仍然由原大学颁发。孙剑说,他在做实验的时候发现一个没有预制裂纹的样本,出现了异常高的膨胀率。他制备了一些样本粉末,用x射线衍射和电子隧道显微镜分析了它们的晶格结构和光谱特性,发现这个样本中含有较多的杂质原子。这些杂质原子在基底材料呈现出随机条纹状的分布,形态和一般的裂纹很接近。孙剑的话给了姜宇航一个很大的启发。他发现自己之前的思路太狭隘了,也许并不是裂缝本身与膨胀系数有关,关键点其实是类似裂缝的这种内部结构。至于这种结构是裂缝引发的,还是杂质原子的分布形成的,两者并没有区别。在这种思路的指导下,接下来他开始往样本里掺杂,有的是随机掺杂,有的是按照特定的位置分布嵌入杂质原子,这样可以更为精细地调控异质结构的形态。这样,预制裂缝随机不可控的问题就被克服了,研究进入了一个全新的阶段。
说起孙剑,其实也有一件让姜宇航头疼的事。自从跟着他来到宏硕之后,他就一直为这个家伙如何毕业犯愁。研究生毕业需要发表至少一篇论文,但宏硕这边的研究成果又都事前签署了保密协议,所以没法用这些东西写论文。有一次他问孙剑,说毕业的事你怎么考虑的,孙剑倒一脸并不在乎的样子,说自己还没想好。姜宇航说,对于科研方面,我对你完全放心,你的实验技巧不错,基础也扎实,不用我怎么操心,但毕业这事你也要放在心上。孙剑说好,我回去想想。姜宇航说,我觉得可以把裂缝的预制或者样本的掺杂单独抽出来,写一篇实验方向的论文,不提具体的用途,这样应该是可以发的。孙剑立刻答应说,没问题,我抽时间写一下。可是从那之后过了这么久,他也没有发过论文初稿给姜宇航看。或许,他根本就不在乎那个毕业文凭,姜宇航有时候会产生这样的想法。
坐了几分钟,头痛缓解了好多。面前的场地上,之前那个卖票的矮胖男子牵着一条猴出来,开始演一些简单的猴戏。另一个年轻男子站在场地边缘,装扮成孙悟空的模样,手里拿着一根细小的棍子。姜宇航看到那根棍子,不禁想起了实验室去合肥的材料物理研究所定制的那一批测试棒。
自从发现掺杂的效果和裂缝一样后,对膨胀效应的量化研究就简单多了。要知道,在材料中调控裂缝的形态很困难,但操纵杂质原子的位置分布就容易多了。制备掺杂的薄膜材料可以用化学气相沉积法,也就是将杂质原子和初始材料一起在气态之下进行沉积;也可以用更精准的分子束外延技术,把杂质原子在高真空状态下直接射向衬底材料。当然,用激光光镊技术或是电子隧道显微镜的探针,甚至可以实现对单个原子的操控,但这样做的成本很高,而且很慢,所以除非是别的方法完全无能为力,姜宇航一般都避免用这种方式制备掺杂样本。本来他还想着自己做,但需要的样本实在太多太杂,即便有研究生帮忙,也顾不过来。所以他改为向合肥的材料所定制,因为他出价很高,对方也很乐意帮他制备这些稀奇古怪的掺杂样本,而且总是做的又快又好。一开始他只是模仿裂缝的形态进行掺杂,但很快就发现,其实完全可以换成别的形态。裂缝的形态其实是一类叫做“扩散置限凝聚”的分形图形,姜宇航试了试其他类型的分形图像,发现效果也不错,有的甚至比裂缝形态更有效。于是,从树状分形到希尔伯特-皮亚诺曲线,他尝试了用各种不同的几何分形图形作为杂质原子的分布区域。他把这些定制的掺杂样本叫做“分形晶体”,虽然不是很准确,但确实很形象。
不知不觉,猴戏已经进入了尾声。这时候,场地边缘的那个年轻人开始挥舞起手里的棍子。姜宇航听见旁边有人说,来了,精彩的来了。他疑惑地看着场内的表演,想着这有什么好精彩的。就在这时,那年轻人嘴里喊了一声“妖怪,看棍”,就见他手里的棍子真的起了变化,逐渐变粗变大起来。始终沉寂的观众群里也终于有人鼓起掌来。姜宇航想,看了半天,就这戏法还不错,也算是值回票价了。他仔细看着那人的手法,想找找戏法的破绽,但什么也没看出来。棍子还在继续变大,现在已经有两米长、大腿粗细了,观众席上再次响起了喝彩的声音。这时候,姜宇航突然在棍子上看到了两个熟悉的字样——东海。他登地一下站了起来,脸上露出震惊的神色。
他现在想起来了,前几天仓库收货的时候,确实报告了有一根测试棍在运输途中丢失。工人马上沿原路开车回去找,但始终没有找到丢失的测试棍,这事就这么过去了。其实丢失一件订制样本也不是什么大事,他甚至都没让工人赔偿损失——对于工人来说,几万元的赔偿款可不是一个小数目。反正在每个月的实验测试中,都会有一大批测试样本报废,这不过是在报废单上加个一笔的事。就算王伟知道这事,他也不会多说什么。可是他万万没有想到,竟然在一个破游乐场的猴戏表演上又重新见到了这根测试棍。更让他震惊的是,测试棍竟然还被激发膨胀了。
整个研究过程中,触发石都是必不可少的。只有它才能让各种测试样本产生膨胀,其中的机理至今不明。而眼前,就在姜宇航的面前,一个测试棍竟然膨胀了,在没有触发石的情况下。这到底是怎么回事?他疑惑中又带着激动。这时,他想起了曾经听过的一句话:“触发石并不一定都是石头。”他之前一直不太理解这句话的意思,但现在好像明白了一点。说这话的人,现在就住在姜宇航的公寓里。在半年之前,他根本就不认识这个人,但这半年以来,他在姜宇航的研究过程中,却提供了极大的帮助。他的思路极为开阔,物理直觉极好。如果没有他,近来的大部分突破性进展或许都不会出现。
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