科普UP丨揭秘《哪吒2》里的冰火两重天

2025-02-12
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Biu biu biu——《哪吒之魔童闹海》又破纪录了!继登顶全球影史单一市场票房榜后,又一路过关斩将,据灯塔专业版数据,截至2月12日18点,《哪吒2》总票房(含点映及预售)已突破95亿元,位列全球影史票房榜22名,成为全球动画电影票房榜TOP4!

难道你还想改变这世界?

我想试试。”

 影片中,3岁的小哪吒与对手贡献了许多场面震撼、行云流水、惊艳四座的打戏,这其中不仅是法术的对接,也是物理的较量,今天我们就来探秘两场冰与火的精彩对决。

 

01  闪电在水里导电,但冰不导电

在“敖丙馅哪吒”与申正道打得胶着时,物理知识派上了用场——“闪电在水里导电!但敖丙的冰是绝缘体!”敖丙为了限制申正道的移动速度,利用冰不导电的原理,把水瞬间冻结成冰,成功扭转局势。所以说,修仙,也讲科学!

 

 冰为什么不导电?

任何物质的导电与否表现在它的体电阻,即内在自由电子或离子的多少。自由电子越多,导电越好,反之越差。纯水本身是极弱的电解质,仅能微弱电离出少量氢离子(H⁺)和氢氧根离子(OH⁻),导电性极低。

当水冻结成冰时,水分子通过氢键形成规则的晶体结构,离子被“锁定”在晶格中无法自由移动,导致纯冰几乎成为绝缘体。

冰的六方晶体结构,红色为氧原子,白色为氢原子

 

 水为什么导电?

生活中水之所以能导电,主要因为它能够溶解其他物质,特别是电解质。电解质在水中溶解时,会分解成正负离子。例如,食盐(氯化钠,NaCl)在水中溶解后会变成钠离子(Na⁺)和氯离子(Cl⁻),这些离子在水中自由移动,从而大大降低水体的体电阻。

 

 冰什么时候会导电?

1、存在杂质

如果冰中含有杂质,部分杂质离子仍能在晶格间隙中移动,使得冰具备一定的导电性。例如,海冰因含盐分,其导电性高于纯冰。

2、温度变化

接近冰点(0°C)时,冰表面可能形成极薄的水膜。若水膜中溶解了空气中的电解质(如二氧化碳),则会增强导电性;而在极低温(如-50°C)情况下,杂质析出,冰的导电性进一步降低。

 

 从冰到超导体 

影片中冰的绝缘性推动剧情反转,而现实中另一类材料——超导体,则展现了导电性的另一个极端状态。

超导体是一种“会魔法”的材料:当温度降到极低时(比如零下200多摄氏度),它的电阻会突然消失,电流可以在其中无损耗流动。就像一场永不停止的接力赛,电流无需任何外力推动,就能永远奔跑下去。超导现象由荷兰物理学家昂内斯于1911年首次发现。超导体除了电阻为零以外,还具有完全抗磁性,也叫迈斯纳效应。

 

 超导的“秘密武器”:电子组队 

普通导体中,电子像独自奔跑的运动员,与原子碰撞产生热量和能量损耗。而超导体中的电子会两两结成“库珀对”,像默契的舞伴一样协同运动。它们借助材料晶格的振动(声子),灵活绕开障碍,最终实现零电阻的完美流动。

超导体中的“库珀对”电子对无阻力流动,形成零电阻状态

 

 高温超导与未来应用 

目前超导材料已从液氦温区(-269°C)扩展至液氮温区(-196°C),应用领域涵盖可控核聚变、超导磁悬浮列车、核磁共振成像(MRI)、量子计算等。未来若实现室温超导,能源传输与存储技术将迎来历史性革命。

正如哪吒冲破“穿心咒”,超导技术也正在突破物理的边界。它不仅是一场材料的革命,更承载着人类对“零损耗”能源未来的无限憧憬。

 

02 从天元鼎炼丹看:跨越千年的“火候”掌控术

无量仙翁利用天元鼎困住海底妖族和哪吒一家,企图用这一法宝的神秘力量将众人炼制成提升功力的仙丹,情势急转直下,尤其是哪吒母亲在天元鼎中被炼化成丹药这一幕,更是让观众们潸然泪下。

 

 从炼丹术到冶金术 

其实,现实中的炼丹术由来已久,现代冶金术就起源于传统的炼丹术,现代材料科学领域,科学家们也在进行着类似的“炼丹”过程。以非晶合金为例,科学家们熔炼的“仙丹”是非晶合金,而“天元鼎”则换成了真空电弧熔炼炉。

  

天元鼎和电弧熔炼设备

非晶合金,又称“金属玻璃”,是一种具有独特性能的新型材料。它不像传统金属那样具有规则的晶体结构,而是像玻璃一样,原子排列杂乱无章。这种特殊的结构,赋予了非晶合金许多优异的性能,例如高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨等,在航空航天、电子信息、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。

非晶锆合金在现实中的应用

要“炼制”出性能优异的非晶合金,并非易事。就像电影中无量仙翁炼丹需要掌控炼丹工艺一样,科学家们也需要精确控制熔炼温度、冷却速度等关键参数,才能将金属熔体“冻结”在非晶态,避免其结晶。

这就要用到真空电弧熔炼炉,就像天元鼎一样,为金属熔体提供了一个纯净、可控的环境。通过精确控制炉内温度、压力、气氛等参数,科学家们可以更好地掌控“火候”,炼制出性能优异的非晶合金。

   

非晶合金带材与电感磁芯

 

 从液态到非晶态 

天元鼎中的三味真火能够瞬间将材料加热至极高温度,这与现代非晶合金制备中的急冷技术不谋而合。在非晶合金制备过程中,金属材料被加热到熔融状态后,以每秒百万度的速度急速冷却,使金属原子来不及有序排列,从而形成非晶态结构。

炼丹术士们精心调配各种材料的配比,这与非晶合金的成分设计如出一辙。现代材料科学家通过精确控制不同金属元素的比例,创造出具有独特性能的非晶合金材料。就像炼丹术士追求完美的丹药一样,科学家们也在不断优化合金配方,以获得理想的材料性能。

从天元鼎到现代实验室,从三昧真火到急冷技术,人类对材料奥秘的探索从未止步,一步步将想象变为现实,创造出改变世界的材料奇迹。

回到最初那句超燃对白——“难道你还想改变这世界?”“我想试试。”科学技术就能改变这世界。材料即是如此。

让我们拭目以待,超导与非晶合金这两颗“现代仙丹”将如何改变世界!

 

 

部分图片来源网络

策划:综合事务管理部

撰稿:吕秉坤-实用高温超导团队、周靖-非晶材料团队