熱膨脹是工程崩壞的嫌犯嗎？誰說物質只能熱脹冷縮！
寒流來襲時房屋表層的瓷磚突然脫落，或是天氣變化時地磚整個翹起來，物體的熱膨脹是每個人的生活中都曾遇過的經驗，乍看之下是多數人所熟悉的「熱脹冷縮」。熱膨脹更是工程中需被加以考量的物理因素，過去也有不少與熱膨脹相關的工程崩塌憾事。其實，物質呈現「熱縮冷脹」的現象十分多變，至今仍不斷被科學家發現、探索，透過瞭解熱膨脹的物理機制及不同膨脹性質材料的合成，或許有一天，人們能夠自由運用不受溫度影響體積的材料，並打造更安全的工程環境，未來亦可能帶領人類前往極端溫度變化的浩瀚宇宙。
撰文｜黃鼎鈞
生活中常見的熱膨脹現象，造成工程崩壞的重大嫌疑犯？
從房屋瓷磚脫落到跨海大橋倒塌都是實際發生的歷史事件，其背後的原因常與物質的熱膨脹有關，材料隨著溫度改變而產生體積的變化，是每個工程設計中必須考量與克服的重要一環。「熱脹冷縮」幾乎是每個人從小就理解的科學概念，也是普遍出現在生活中的物理現象，但是它不是一個絕對的法則。
通常到中學的時候，會學到人類不可或缺的「水」就不遵守這一個原則，以4°C為臨界點，4°C以上的水遵守熱脹冷縮，4°C以下的水反而變為熱縮冷脹，以至於在4°C時水呈現密度最高的狀態，使得寒冷地區的水底生物依然可以在結冰水面下生存。光是地面上的氣溫變化就能影響許多工程發展，如今，人類躍躍欲試地探索溫度極端變化的宇宙，科學家不僅要留心材料的熱膨脹效應，也需要找尋更多的新材料發展太空科技，以確保太空設備能在極端溫差下正常運作。接著，讓我們一起來瞭解物質膨脹背後的物理機制，看看科學家可以如何「調配」物質的膨脹特性，進一步改善熱膨脹造成的工程損害。
物質熱膨脹背後的物理機制
為區別不同膨脹性質的材料，一般定義熱脹冷縮為「正熱膨脹」，熱縮冷脹則為「負熱膨脹」。另一個判斷材料膨脹的指標則是線性熱膨脹係數 α ，它代表的是每上升一個溫度單位，物體長度的改變量相對於原長度的比值（舉例來說，石墨的膨脹係數為 α＝2.0x10-6／°C 代表原長度為 1 公尺的石墨，每上升 1°C 其長度將變為1.000002 公尺。）
大部分生活可見的物質呈現正熱膨脹，是因為原子的平均動能會隨著溫度上升而變大，使得原子間彼此距離加大，物質的體積因而變大。物質的膨脹係數則因其鍵結的方式而變化，若彼此的鍵結強度越強，則越不容易受溫度變化的影響。
其實，生活中人群對溫度的反應就像正熱膨脹，若將人當作原子，人群當作組成物質，當天氣炎熱造成體溫升高時，彼此就想拉開距離，人群佔據的面積就會擴大，但若這群人感情非常要好，就像是原子間有較強的鍵結力，雖然感到炎熱，仍想盡量維持距離方便交談，若要拆散這群人或許就需要更炎熱的天氣。
在負熱膨脹的物質背後的物理機制則較為複雜，常用「振動模式」[1]與「非振動模式」[2]兩種機制來作分類。振動模式仍是基於上述「溫度升高使原子平均動能增加」的原理，因為原子間彼此鍵結的強度較高，以至於原子間的彼此距離不容易被改變，造成原子在與周圍原子保持相同距離的情形下產生震動，使得整體的體積因溫度升高而變小。我們再次將人比喻成原子，兩人的感情好壞當作鍵結的強弱，在圖（3）中的兩個人，因為感情好而牽手，有非常強的鍵結力，當溫度提高時，他們只選擇揮動自己的手來散熱，當兩人的手上下擺動時，使得兩人的身體反而更加靠近了。這就是「振動模式」所帶出的熱縮冷脹效應。
有了以上的概念，我們可以進一步從原子的振動模式來瞭解熱縮冷脹。從圖（4）到圖（6）分別表示振動模式中，三種造成負熱膨脹的機制：M-O-M、M-O及多面體擺動。圖中的M代表金屬原子、O代表氧原子、d則為距離。下方圖（4）中M-O-M的氧原子因溫度上升動能增加，但又因為與金屬之間的鍵結強度高，使得金屬與氧原子的距離保持不變，氧原子則在中間產生震動，造成上面的金屬與下面的金屬距離縮短，從 d1 縮短為 d2 使得整個物質因溫度升高而體積變小。
下方圖（5）的原理與圖（4）相仿，但僅考慮一個金屬與氧原子，氧原子因為溫度升高具有較高的動能，卻因為金屬與氧原子的距離不變，使得氧原子在沿著垂直方向上下振動，宏觀底下物質則以 d4 作為表現而不是 d3 ，使得物質體積因溫度升高而縮小。
最後一種振動模式則是以多面體的方式來說明，見下方圖（6），這一部分我們可以試著想像，不是以單一個原子來面相來看，而是一群又一群的原子尺度，這蓋面念就好比中學時的朝會，同一個班級的人會站在同一個區塊，以班級為單位來觀察朝會全校隊伍的變化。其中，單一面體中的鍵結具有高強度，但是面體間的鍵結則相對較弱，就像同一班級的人彼此連結較強，不同班級之間的連結則較弱。當溫度升高時，同一個班級的人距離保持不變，不同班級之間卻產生了旋轉，面體的旋轉使得整體體積縮小。
除此之外，非震動模式所致的負熱膨脹機制則更為複雜，所考量的不只是溫度造成的動能改變，是特定物質因溫度升高，反而造成原子間的鍵結力提升，並且比原子平均動能的改變更顯著，使其呈現了負熱膨脹的現象。或許對於喜歡海邊活動的人們便是這樣，天氣更加炎熱，衝浪的好夥伴更想結群的到海邊嬉戲，反而使得這群衝浪好友關係更緊密。這部分的成因則較為複雜，需要針對不同的材料作特定的探究，才能瞭解背後的物理機制，未來說不定也會在 CASE 報科學中與大家分享！
相信透過瞭解物質膨脹背後的物理機制，人們可以發掘更多材料應用的可能性。透過不同材料的摻雜，將正、負膨脹的材料混合，合成出不受環境溫度影響的材料，以打造一個更安全的生活環境，並帶領人類邁向極端溫度的宇宙探索之旅。
參考資料：
[1]Chem. Mater. 1995, 7, 412—417
[2]Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volumes 15–18, Part 2, January–March 1980, Pages 982-984