「魯珀特之淚」，400年前的科學謎團得到解答

為什麼蝌蚪狀的「魯珀特之淚」（Prince Rupert s drops）如此堅硬？這個問題自 17 世紀初以來，就一直困擾著科學家，如今終於得到解答。

圖 「魯珀特之淚」

在 17 世紀，德國的魯珀特親王送給英國國王查理二世一些蝌蚪狀的玻璃淚滴。這些玻璃物體有著奇妙的特性：淚滴頭部可以經受鎚子的敲砸，但如果抓住淚滴尾部，稍微施力整顆玻璃淚滴就會立刻碎成粉末。

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將融化的玻璃依靠重力自然滴入水中，就會形成「魯珀特之淚」。多年來，研究人員一直試圖解開「魯珀特之淚」的奧秘，但直到最近，科學家才在現代科技的幫助下得到答案。

1994 年，普渡大學的S·錢德拉塞克蘭和劍橋大學的M·M·喬杜里用高速攝影技術觀察了淚滴的碎裂過程。他們通過實驗得出結論：玻璃淚滴表面具有很很強的壓應力，而內部具有很強的拉應力，所以，淚滴處於不穩定的平衡態，尾部則是「魯珀特之淚」的七寸。

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一個懸而未決的問題是，「魯珀特之淚」內的這些應力是如何分布的。理解了應力分布就能充分解釋淚滴頭部為何如此堅硬。

為此，錢德拉塞克蘭和喬杜里開始和塔林理工大學（Tallinn University of Technology）教授希勒·阿邊（Hillar Aben）合作。阿邊是研究透明物體三維殘留應力的專家。

圖 「魯珀特之淚」的殘留應力通過彩色條紋顯示從來

阿邊他們用透射偏光顯微鏡分析了「魯珀特之淚」應力分布，並將研究結果發表在《Applied Physics Letters》上。

透射偏光顯微鏡可以測量軸對稱透明物體的雙折射。在實驗中，研究人員將「魯珀特之淚」懸浮在透明液體中，然後用紅色LED照亮玻璃淚滴。他們藉助偏光顯微鏡測量到光通過玻璃滴的光延遲，並用這些數據構建了整個玻璃滴的應力分布。

結果表明，玻璃滴頭部表明的壓應力高達 700 兆帕，近乎大氣壓的 7000 倍——這要比之前的預期高得多。而這些壓應力的分布卻很薄，約佔玻璃滴直徑的10%。

表面壓應力讓「魯珀特之淚」擁有很高的結構強度。要使「魯珀特之淚」破碎，必須在玻璃滴內部拉伸區形成裂紋，而表面裂紋只會沿著玻璃滴表面發展，不會深入內部拉伸區。但尾部卻是「魯珀特之淚」的阿喀琉斯之踵，因為尾部碎裂會使裂紋傳入玻璃滴拉伸區，並迅速從內部土崩瓦解。

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至此，「魯珀特之淚」的硬度問題終於得到解答。

「我們的研究成分解釋了玻璃滴頭部硬度為何如此之大」，喬杜里說。「我們已經解決了『魯珀特之淚』的主要謎團，但或許還會有出乎意料的是新問題出現。」

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編輯：孫小彪

「DeepTech深科技」招募編輯記者

（人工智慧、生物醫學、自動駕駛等方向）

工作地點：北京 國貿

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