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為什麼蘋果不會掉漆還很難刮花?你想不到它家的外殼是這樣造出來的

為什麼蘋果不會掉漆還很難刮花? 你想不到它家的外殼是這樣造出來的

作者William S. Hammack 等。William S. Hammack 是伊利諾伊大學厄巴納- 香檳分校化學工程系教授。

 

我們對蘋果產品的一體成型設計(unibody design)已經很熟悉了。這種設計不管是摸起來還是看起來都很順滑。

蘋果筆記本電腦的這種一體成型的外殼是由鋁或鈦這兩種金屬製造的製造的。蘋果的iPod 也是採用相同的一體成型設計,外殼的原材料也差不多。

五彩斑斕的iPod,以及蘋果手機的外殼,讓你以為它們是被上了一層油漆。你要是這樣想的話就大錯特錯了。

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其實,iPod 的外殼,以及蘋果手機的外殼沒有上漆,它們的主要成分是氧化鋁,鮮豔的色彩來自於氧化鋁包裹著的染料。更關鍵的是,外殼上色的過程,是一個精心控制的腐蝕的過程。iPod 的外殼,實際上是鋁氧化後生的銹。

很吃驚麼?一起來看看為什麼。

有些無機化學知識的人會知道,鋁接觸空氣後,表面就會立刻形成一種氣密的(不透氣)的氧化薄膜,叫做阻障層(Barrier Layer)。

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人們通常以為,腐蝕是一種會破壞金屬的化學反應,但是對於鋁來說,腐蝕作用反而是一種保護,鋁和空氣接觸後形成的氧化膜阻障層具有極好的密封作用,防止內部的鋁被進一步氧化。

聰明的工程師和科學家利用這種有益的腐蝕作用,就可以發明製造出超乎想像的產品。

為了製造蘋果產品的氧化薄膜,工程師們採用的是電化學的方法。

我們用鈦來演示一下這個過程到底是怎麼回事。

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我在溶液裡放了一根鈦條,然後連上高壓電源。對了,不要在家裡進行這個實驗,因為高壓電源有危險性。

現在我給鈦條通電,看看會發生什麼事情。

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我們可以看到,電極上面冒出了氣泡。

當我增加電壓的時候,鈦就開始變色了。這個過程就叫做陽極氧化(anodizing)。

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實際上,我製造了一層二氧化鈦。其實不加電壓的情況下,它的表面也有一層天然的氧化物。但是增加電壓的情況下,這層氧化物就會變厚。隨著氧化膜的增厚,它的顏色也會發生變化。

如果我們把剛才得到的氧化膜放大,然後從橫截面上看,你會發現,不同顏色對應著不同厚度的二氧化鈦。

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二氧化鈦的顏色是一種結構色(由光的散射、干涉或衍射作用而產生的顏色),是光在這層氧化膜底部反射出來以後,和氧化物表面的光的干涉形成的。氧化膜的厚度決定了這兩束光線如何干涉。

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再深入地講的話,對於某個厚度的氧化膜來說,2束特定顏色的光會發生相消干涉,也就是說它們相互抵消。因此我們就看不到這種顏色的光線了,看到的是這種光的互補色。這就是不同厚度的氧化膜有不同的顏色的原因。

對於鋁來說,也可以實現陽極氧化,而且這種腐蝕過程對鋁更重要,因為腐蝕後鋁會變得更加堅固。

不過呢,iPod 和手機外殼的顏色來自染料,也就是化學色(色素形成的顏色)。上色後,表面還要進行密封,鎖住顏色。

陽極氧化鋁的過程和鈦類似。用鋁做陽極,就可以讓鋁的表面長出一層薄薄的氧化層。

剛才說過,鋁的表面有一層天然的氧化層。隨著陽極氧化過程的深入,鋁的表面的氧化層就會變厚,還會形成許多孔洞。

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這種多孔的結構正好適合添加染料。氧化鋁的多孔表面就像蜂巢,在這些孔裡,工程師可以注入染料,然後把染料封住。

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怎麼封住呢?

放到熱水里。

是的,放到熱水里以後,氧化鋁的孔洞表面就會形成一層水合氧化鋁“封印”。除非你把氧化鋁刮破,否則染料永遠也出不來了。

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水合氧化鋁(右)將氧化鋁孔洞封住。

不過,要想把氧化鋁刮破,哼哼,難度極高,而這就是鋁質的蘋果產品很難被刮花的原因。

氧化鋁的結構類似於寶石,實際上,許多寶石的主要成分就是氧化鋁。比如,藍寶石就是一種含有少量鐵和鈦的氧化鋁。

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藍寶石的結構

紅寶石的主要成分也是氧化鋁,只不過裡面還含有能夠吸收黃綠光的鉻,所以它才是紅色的。

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紅寶石的結構

上面這兩種氧化鋁寶石都非常堅硬,它們的莫氏硬度(Mohs scale,一種利用礦物的相對刻劃硬度劃分礦物硬度的標準)是9,相當於剛玉,僅次於鑽石。所以你看到氧化鋁有多硬了吧。

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在莫氏硬度表上,主要成分為氧化鋁的藍寶石和紅寶石的硬度為9,僅次於鑽石。

一般來說,iPod 只使用軟質陽極氧化處理法(soft anodizing),經過這種處理的iPod 的外殼並不像寶石那麼硬,但是還是比油漆更加耐用。

所以能把蘋果產品刮掉漆的同學,你怕是買到假的蘋果了吧。

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