有趣的科学难题:你认为最柔软的事物是什么?

北京时间4月22日消息,据国外媒体报道,世界上有很多柔软的事物:猫的毛发、婴儿皮肤、专业洗涤后的毛衣。如果有一种万能的柔软度指南,将宇宙中任何事物按照柔软度进行排序,以上3种事物肯定会在前列。当然,这种柔软度指南是很难收集的,因为事物的柔软程度一部分是靠主观衡量,你需要组建柔软程度评估小组来分析每一个事物,以及使用一些公平/统计方法均衡他们的结果。让我们采访了几位材料科学家,看看他们是如何以自己的观点评价权衡世界上最软的事物。

查尔斯·德宏(Charles Dhong),美国特拉华大学材料科学和生物医学工程副教授。

“柔软物体的决定因素是材料质地和体积形状”。

人们会认为,找到能让我们感觉“最柔软的东西”似乎很简单,你可以到五金店购买各种“柔软材料”,也许你会从选择橡胶开始,然后是棉花糖和泡沫,但这种方法存在的问题是人们很难确定事物的柔软等级。事实上,你可以采用相同物质制成两个不同物体,它们的外形决定质地坚硬或者柔软,例如:人类头发非常柔软,但是它是由角蛋白构成,这与人体指甲和犀牛角中所含物质相同。设计一些感觉柔软的物体与材质有关,但也有一些微妙之处。

近期,我们发现人类不是通过感知单一的物质属性(多数人可能会猜测“弹性模量”),而是基于两种物理线索组合判断物质的柔软程度。这些物理线索一部分是由材料属性决定,一部分是由物体的形状决定,当人们触摸某一物体的时候,会出现两种情况:一种情况是你的手指按压物体,手指会有反作用弹力;另一种情况是物体会扩大与你的皮肤接触面积。这种手指压力感和接触面积结合在一起,可以形成人们对物体柔软程度的物理基础。因此,当人们接触某一物体,在物体表面形成一个较大的压痕,或者扩大皮肤接触面积,将会感到该物体“很软”。物体柔软度的感知不仅是由材料的物理属性所决定的,还与人类大脑信息处理有关。

我们对这些基础研究揭示的可能性和可能出现的错觉非常感兴趣,同时,我们认为人们有很多方法能够找到触觉极限,例如:我们接触到最柔软和最坚硬的物体。这表明有多种方法可以控制物体的柔软度,或许未来可应用于虚拟现实领域,同时,该方面的研究还有助于我们揭示大脑如何处理和合成触觉信息。

安东尼·罗雷特(Anthony Rollett),美国卡内基梅隆大学材料科学与工程系教授。

“大多数情况下,柔软度通常与绝缘体性能较好的物体有关,例如:毛毯往往让人感觉到柔软,部分原因是它们的物理力度反应。”

当我们谈及物体柔软性时,我们通常会从“柔软”这个词开始,通常人们手指按压一个柔软物体时,它很容易出现弯曲变形。换句话说,你可以改变柔软物体的形状,而不需要太多力量。这就是工程师对柔软的定义,但它的意义远不止于此,因为“柔软”既是一种感觉,也是一种工程学概念。

还有方法可以让人们接触物体时感到柔软,而不是完全独立于物体的弯曲程度,或者其变形程度。物体柔软度的另一个维度是它如何处理热量,或者是它的绝缘性怎样?人们会以不同的方式进行测试。但在大多数情况下,柔软度通常与绝缘体性能较好的物体有关,例如:毛毯往往让人感觉到柔软,部分原因是它们的物理力度反应。但部分原因与它们不太容易传递或者传导热量有关,然而大多数凝胶摸起来有点湿,人们并不会将它与柔软联系起来,尽管它们质地较软。

因此,我认为羽绒被可能是最柔软的事物之一,部分原因是它的结构是多尺度,我猜测结构多尺度物体也是最柔软物体之一,或者此类物质让人们感到很柔软。人们可以用一些柔顺的材料制作地毯,但除非这种地毯是由羊毛编织而成,否则将很容易松垮,不再有柔顺的触感。但是羽绒被的多尺度结构会给予皮肤一些特殊感觉,因为它不太容易传导热量,会有一种温暖的感觉,让人们联想到柔软。

亚纳·格塞维奇(Jana Grcevich),他是美国哥伦比亚大学天文学家和天文学外联专员

“柔软物质并不局限于地球,我们观测到一些怪异的星球,叫做‘超级蓬松行星’。”

有人曾问我:世界上最柔软的材料是什么?这个问题过于局限,我冒昧地反问一个问题:哪颗行星最蓬松、最柔软?

迄今我们观察到4000多颗行星环绕其他恒星运行,但事实上这些系外行星仅是宇宙中行星数量的冰山一角,仅在银河系就有数千亿颗行星亟待人类探索发现。之前我们发现一些类似地球的岩石行星,一些神秘行星存在“两个太阳”,还有一些完全被熔岩覆盖的行星,同时,我们还发现一些怪异的“软行星”,这是一种“超级蓬松”的系外行星。

任何系外行星反射或者释放的光线过于微弱,与它环绕恒星发出的眩目光线相比,我们是无法观测到它的光线。相反,从我们的角度观测恒星前方的轨道时,由于系外行星的存在“阻挡”了恒星光线,这就是所谓的“凌日现象”。通过观察恒星光线被行星阻挡的程度,天文学家可以判断该行星的直径大小,此外,通常另一种方法,我们可以获得其质量大小。

对于轨道而言,行星引力对主恒星起到一定的拖曳作用,由于多普勒频移(doppler shift)作用,行星对主恒星的规律性引力拖曳形成一定的轨道特征,并在恒星光线色彩中出现轻微变化。行星的引力拖曳强度与行星质量密切相关,质量和体积结合在一起,可推断该行星的密度,那些密度极低的行星,仅接近水密度的十分之一,这样的行星被称为“超级蓬松行星”。它们的体积与木星十分接近,但质量仅是木星的1%。

地球上长满青苔的山丘和沙滩可能是柔软的,但令人感到奇怪的是,超级蓬松行星表面几乎没有柔软的区域,这是因为该行星密度极低。中学生做的一个简单试验将告诉我们日常生活事物的密度大小——它是下沉的,还是漂浮的?岩石密度比水大许多,所以会沉入水中,相反冰的密度较小,就会漂浮在水面。在我们的太阳系,土星的密度低于水,所以人们可以将其想象为“漂浮在水面”的物体,但是系外超蓬松行星的密度甚至比冰更小,更接近于聚苯乙烯或者棉花糖的密度!

就像气泡从水中由下至上升起,由氢和氦构成的行星,其密度比岩石行星低许多。土星密度比构成它的气体密度略高一些,因为上层大气引力压缩了下层大气,因此存在密度接近棉花糖的系外行星。天文学家对此非常震惊:这太不可思议了,它如何在自身质量作用下不被压缩至更高密度?

尽管专家们提出一些理论观点,但超蓬松行星的谜团仍未解开,他们猜测超蓬松行星的大气层被恒星加热,使其变得蓬松,随着时间推移气体可以摆脱行星引力逃逸至太空中。或许从该行星上层大气逸出的尘埃导致科学家对这些星球体积的误判,或者是我们对行星密度的假设存在误区,我们真正观察到的是存在不透明光环的行星,它们挡住了源自主恒星的光线,从而导致我们对其体积的真实判断。幸运的是,天文学家计划寻找更多的超级蓬松行星,测量它们如何形成和演变,并了解超级蓬松行星的“柔软程度”。

约翰·海耶斯(John E。 Hayes),美国宾夕法尼亚州立大学感官评估中心副教授。

“对于冰淇淋的柔软程度,是结合可融性和作用力,需要用小勺挖才能感知冰淇淋的柔软融化度;而对于T恤衫,人们感知的柔软度是指我们指尖在织物上滑动产生的摩擦,也可能是压缩力和弯曲力的某种作用。”

柔软本质上是一种感知,这是大脑意识产生的,意味着仅能通过人类评估测量。对于任何人类的感觉系统,都有探测的极限值,存在最高值和最低值,在这些极限之外,我们无法分辨感知差异,即使是一台机器或者仪器。人们可以想一下玻璃和钻石的硬度,当人们指尖触摸它们时,它们对人体皮肤产生的压力大致相近,因此我们无法直接区分它们的压力。

当然,以人类感知衡量事物是非常棘手的,因此当人们使用柔软这样的词语时,在不同语境中会有很大的差异,例如:这块冰淇淋比那块冰淇淋更软,这件T恤衫比那件T恤衫更软。对于冰淇淋的柔软程度,是结合可融性和作用力,需要用小勺挖才能感知冰淇淋的柔软融化度;而对于T恤衫,人们感知的柔软度是指我们指尖在织物上滑动产生的摩擦,也可能是压缩力和弯曲力的某种作用。心理物理学作为实验心理学的一个分支,已对人类感知的事物柔软度研究了150多年,研究如何更好地测量这种柔软度。

这种细微的差别对于消费者认知和接受产品非常重要,例如:当人们在商店看到一件连帽衫时,通常做的第一件事就是手触摸这件衣服,感受连帽衫的柔软度。如果这件衣服不是特别柔软舒适,他就会继续寻找,因此理解和测量复杂的感觉对于商品经济具有重要关联性。人们日常食用的许多食物和消费品都是通过感官进行分析,同时,科学家基于传统和应用心理物理学对这些感官进行量化评估,为消费者提供合理化建议。

大卫·尼达汉姆(David Needham),杜克大学机械工程和材料科学教授。

“细胞膜是已知最柔软的功能性物质之一。”

首先,什么是柔软度?1962年,弗朗西斯·克里克和吉姆·沃森因获得“关于核酸分子结构的发现及其对生物材料中信息传递的意义”,而获得1962年生理学或医学奖,沃森指出,如果你想了解抑郁,就去研究幸福,同样,如果你想了解事物柔软度,就应当先分析硬度。

因此,柔软只是硬度的一个较低等级吗?从工程角度上看,硬度是由材料对外力或者应力的反应来测量的,当前有几种标准的硬度标度,例如:莫氏硬度标度。依据这一定义,它是由10种矿物按硬度递增顺序排列。

人们日常生活中有很多非常柔软的材料,例如:羊毛纤维、棉球、果冻、羽毛或者薄而柔软的磁带,但哪种柔软物质能够支持地球生命呢?

细胞膜是已知最柔软的功能性物质之一,它分布在地球上每个细胞,在我过去40年的研究中,我们研究过磷脂细胞膜。事实上,这种细胞膜存在于地球上每个细胞中。细胞膜是由脂质双层分子构成,仅有两个分子的厚度,使用玻璃微量吸液管的特珠技术,可以在含有水溶液的显微镜室测量细胞膜的柔软性,我们可以施加非常温和的吹压和吸压,然后真实测量细胞膜的柔软程度。在该情况下,柔软度是拉伸和弯曲细胞膜的必备条件。

专家指出,细胞膜的柔软度介于液体和空气之间,液体有“多软”?空气有“多软”?

当你将手指浸入一杯温水,轻轻搅动,你会什么感觉?当你手指在空气中挥动,不接触任何事物,这就是人们感受到空气的“柔软度”。

稿源:新浪科技

0

更多精彩

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*