宇宙中最“微不足道”的元素，能造成多大的损失？对加州纳税人而言，这个数字是，2500万美元。

    旧金山-奥克兰海湾大桥的东桥新桥，是加利福尼亚历史上耗资规模最大的市政工程，也是吉尼斯世界纪录中最宽的大桥。然而，一个宇宙中最“微不足道”的元素，让大桥的造价徒升2500万美元，而且差点毁了这个庞然大物。这“微不足道”的元素，就是氢。

    旧金山-奥克兰海湾大桥 图片来源：Wikipedia commons氢元素在地球上无处不在，是构成生命最为重要的元素之一。说它最“微不足道”，是因为氢原子是元素周期表中质量最轻、体积最小的原子，很容易钻进其他材料当中。就好比一个袋子里即使已经装满了土豆，还是很容易再倒进去许多大米一样。钻进其他材料当中的氢会影响这些材料的性能。当金属或合金材料处于氢浓度较高的环境中时，氢原子就会钻进这些材料，对它们造成不可逆转的氢损伤。

    即便是在氢浓度较低的环境当中，氢原子的“入侵”也会使金属材料变脆，造成一种叫做“氢脆”的现象。前面提到的大桥事件就是氢脆干的好事。历史上类似的事件还很多：直升机发生机毁人亡、油气田发生井喷、正常行驶中汽车传动轴的突然断裂，以及，二战时的自由号货船，停靠在港湾里就“莫名”被拦腰斩断……

    拦腰折断的自由号（图片来源：Neil Boenzi, The New York Times）

    氢脆可以使材料的塑性严重降低，同时即意味着会导致材料的脆性急剧增加。而脆的材料有着巨大的安全隐患。因为这种材料会在几乎不发生任何形变的情况下产生瞬时的、毫无预兆的突然断裂。人们很难对这种突然断裂进行预防，因此很容易造成重大安全事故。正是由于氢脆巨大的安全风险，科学家们花费了大量的精力对这种现象进行了各方面的相关研究。

    氢脆现象是怎么产生的？

    也许你还能记得，金属是由原子直接构成的。同时，金属通常又都是晶体。这意味着，构成金属的原子不是一盘散沙，它们更像是课堂里整整齐齐排排坐的小朋友，都规规矩矩的。但是，在现实的晶体中，并非所有原子都能像课堂上的小朋友那样，踏实安分地待在自己的位置上。总有些“不守纪律”的原子，会破坏“晶体班级”规律整齐的课堂秩序，在晶体中形成缺陷，他们与氢脆现象都有密切关系。点缺陷和位错是其中的两种最基本的缺陷。

    捣蛋鬼1号：点缺陷

    特点：不是缺席，就是插班

    理想晶体原子排列（手绘：户一凡）

    点缺陷有两种：一种是空位，另一种是间隙原子。顾名思义，空位就是金属原子的“缺席”，就像课堂里空出了一个座位；而间隙原子就是有外来原子“插班”，课堂挤进了一名新同学。不论哪种情况，原本整齐的课堂秩序都被破坏了。对晶体来说，就意味着晶体的性质发生了变化。

    点缺陷：空位（手绘：户一凡）

    点缺陷：间隙原子（手绘：户一凡）

    捣蛋鬼2号：位错

    特点：群魔乱舞

    位错，是晶体中的另一种缺陷，类似于头发丝，是一种一维的缺陷。位错是金属晶体中最重要的一种缺陷，直接影响着晶体的各种性能，尤其是力学性能。位错的尺寸非常小，直径不到一纳米，长度可达几十个微米。一纳米约等于头发直径的十万分之一，肉眼根本看不见，必须利用电子显微镜在几万倍的放大倍数下才能看到它的身影。

    但是金属材料中的位错却非常的多——如果把一立方厘米的金属中所有的位错接在一起，总长度可以和地球的直径相当。在外力作用下，这些位错可以运动，相互交割，纠缠，简直就像群魔乱舞。正是这些位错的运动赋予了金属材料良好的变形能力，反之，如果一种材料中的位错既少又不易运动，这种材料就很难发生变形。比如陶瓷，一摔即碎。

    位错（手绘：户一凡）

    然而，位错的运动并不是一帆风顺的。材料中存在其它类型的缺陷，他们也会扰乱金属中的原子排列秩序，让位错运动的“路途”变得崎岖坎坷：时而需要穿过泥潭，时而需要翻越高山。比如点缺陷就会阻碍位错的运动。简单来讲，如果有大个儿的原子（比如碳或者氮）钻进材料中，他们形成的点缺陷可以像钉子一样将位错牢牢地“钉扎住”，就像吉他上的琴弦被牢牢地固定在琴面上一样。位错要运动就需要更大的力摆脱钉扎，材料变形更难了，于是给人的感觉是变得更脆，前面提到的突然断裂的风险也就提高了。

    钻进金属的大原子会钉住位错，限制它的运动（手绘：户一凡）

    但是，科学家一直认为氢脆不是氢原子“钉住”位错造成的。因为氢原子实在太小了。小巧灵活的身体使氢原子能“自由”地在金属原子之间“流动”。换句话说，氢原子在金属中形成的点缺陷没法有效地“钉”住位错的运动。相反，甚至有学者认为“小巧灵活”的氢原子可以像润滑剂一样帮助位错越过前方的障碍，让位错的运动更加顺利。

    氢原子让位错的运动更加顺畅（手绘：户一凡）

    直到最近，由西安交通大学材料学院微纳中心解德刚等人发表在《自然-通讯》上的一项工作颠覆了人们的认知。这项工作表明，至少在金属铝中，充氢并没有对位错起“润滑”作用，反而是强烈的“钉扎”作用。这不是和前面氢原子无法钉扎位错的结论矛盾了吗？你可能猜到了，这应该是一种间接的影响：氢原子和金属中的空位“抱成团”，一起阻碍了位错的运动。这种“抱成团”的复合结构可以产生比大个儿原子更强烈的钉扎作用，从而让材料变得更脆，更容易发生突然断裂。这种氢原子和空位的抱团是材料科学中的一种典型的“1+1>2”的现象。

    “抱团”的氢原子和空位牢牢地限制了位错的运动（手绘：户一凡）

    氢鼓泡也是材料杀手

    除了氢脆，微纳中心研究团队还发现，钻进金属铝中的氢原子会让金属表面产生很多纳米级的小凹坑，这些凹坑为氢原子的继续聚集提供了便利。随着凹坑不断变大，氢原子越聚越多，就会把附着在金属铝表面的氧化膜“顶”起来，从而使材料表面出现鼓泡现象。这些“氢鼓泡”会加速飞机发动机涡轮叶片的腐蚀和失效，也会使航天器太阳帆板的反光能力大打折扣，影响飞行器的正常工作。

    铝表面的“氢鼓泡”现象（手绘：户一凡）无论是被氢脆“折断”的大桥和战舰，还是被“氢鼓泡”损坏的飞机和航天器，都意味着巨大的人员和财产损失。氢，这种宇宙中最“微不足道”的元素，可以是洁净环保的理想燃料，也可以是百害而无一利的“材料杀手”。而科学研究，则是人们在矛盾中追求真相、平衡利害的捷径。这也是科学研究迷人魅力的一面吧。

    其他人都在乖乖排队的时候非要扰乱秩序强行插队还自我感觉特别良好的你：

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