2.2源石类物质的物理化学性质
为了解释源石类物质所具有的独特物理、化学性质,并将其尽量与已有的物理学理论结合,我们需要首先总结源石的表观属性。
在泰拉星球,源石类物质的自然存在形式有两大类:其一是较高源石含量的源石化矿物。如源岩、源石碎片、源石结晶簇、RMA70-12、合成玉等,它们具有迥异于一般原子组成的常规矿物的性质,与现实中的物质并无很好的对照。
其二是弥散在环境中几乎任何位置的源石成分,它们改变了泰拉上的矿物、生物、自然环境。如材料中的铁、锰、炽合金(铋)、酮、酯、盐等异化的材料;如生物中源石虫等于源石紧密联系的生物,和其他生物受到源石改变的代谢;如环境中被源石塑造的地貌,以及源石参与自然现象引发的天灾。
以上这些例子说明,泰拉中的源石类物质存在着富集的密集存在形式,也有弥散在环境中但起到了大量独特作用的分散形式。它们共同构成了泰拉上源石类物质的循环。
因此,我们从几方面分别说明,奇异夸克团物质是如何改变普通的原子物质,并使其具有独特的物理化学性质的。
2.2.1源石类物质的改性基础
源石类物质与我们日常所见的普通物质有诸多不同。在研究源石类材料的过程中,作者发现了源石类的几种突出的特性:首先,在酮凝集组与聚酸酯组的图标中,其代表性官能团的结构式与现实略有不同。酮凝集中,中心碳原子被一个菱形标记取代,而我们已知菱形是泰拉上常用于表达源石的记号。聚酸酯中,中心碳原子的C标记则有一个额外的点位于其中央。由于图像分辨率的原因,不能确定点的具体形状,但也有可能是菱形。这给出了提示:源石成分可以融入或替代化合物中的碳原子。
其次,泰拉上也存在着异铁,源石晶体,RMA70-12、合成玉等性质奇异的无机物。这说明,源石成分不仅仅可以与碳原子交互,还可以与其他类型的原子进行交互,或是改变已有的物质晶格。这些物质呈现出了与铁、锰、氧化物晶体大相径庭的属性。这给出第二个提示:源石成分可能也会与其他物质中的原子形成结合关系,改变化学反应的焓变,甚至于创造新的物质类型。
那么它们是如何被改变的?我们日常所见的的物质的绝大多数性质,都来源于物质原子的电子云之间的交互。要改变物质的化学性质与宏观物理性质,本质上是改变物质中原子之间的电磁相互作用。如果奇异夸克团不带电,当然就无法进行电磁相互作用,所以是很不合适的。
因此,我们添加一个设定:一份奇异夸克团通常携带+1/3电荷。做出这个猜想,是由于带正电荷的上夸克在所有夸克中质量最小,更容易产生并在体系中保持稍多于其他夸克的数量。同时,非整数的电荷也便于引入非常规的物质属性,使其与具有整数电荷的普通物质区分开来。
但是,由于电磁力也是很强的(日常不常见静电力,是因为绝大多数物质都是电中性),一个满含净正电荷的物质不可能稳定凝聚。必然有负电粒子平衡带正电的奇异夸克团。对于带负电的粒子,最常见的是电子。本着如无必要,勿增实体的原则,我们就使用电子。三个带1/3电荷的奇异夸克团,会共用一个电子。
因此我们得到了一种奇异夸克团的存在形式,也是最简单的一种:三个奇异夸克团弱结合,共用一个外层电子。不过,考虑这个松散的准粒子的结合能,我们会发现:与一个氢原子相比,作为中心的三个奇异夸克团带有的总电荷也是+1。这个体系的电子结合能不太可能大于氢原子的电离能:13.6 eV。
同时,与具有单一质子的氢原子相比,它的拼凑核心结构并不是非常稳定。三个奇异夸克团互相排斥,因此,体系的有效直径会增大,实际电场势阱深度还会进一步下降。做一个宽泛的估计,这个准粒子的解体能量很可能在2~5 eV之间,与常见的化学反应、可见光子的能量相当。
所以,在一般的环境里,几乎不会存在由纯净的奇异夸克团组成的物质。它们都会分散开,并与普通原子结合,形成各种各样的独特物质。在此基础上,又可以产生几种不同的结合形态。
其一:由于奇异夸克团带有+1/3电荷,它可以直接吸引多个原子的外层电子,作为结合中心,形成不同于共价键的“源石键”。当然,在原子能形成共价键的基础上,奇异夸克团的加入能够促进共用电子云向两个原子中间移动,从而缩短键长并提高键能,较大幅度改变物质的化学性质。
其二:奇异夸克团带有+1/3电荷,它可以进入原子内部,并在静电场的作用下停留在原子核外,电子层内。由于添加了额外的电荷,此时受到改变的原子会具有更高的电负性,原子半径也会相应缩小。并且,其产生的化学键会变得更短且具有强极性,类似于离子键。容易产生分子间相互作用,而失去柔性。在分子链上,若多个原子被奇异夸克团改性,整个分子链上会形成永久的“电子空穴”,并且吸附不属于任何一个原子,而是共用并不断跳位的电子。这类似于在半导体中进行高浓度的掺杂。如此一来,高分子将成为天然的有机半导体,甚至于类金属。
其三:受到奇异夸克团改性的原子将具有+1/3的局部净电荷,成为一个非常强大的正电中心。在化学反应中,这类原子会倾向于与其他分子的富电子区域(如氨基,或酯基的双键氧)结合,直到占满其自身所有成键位置。即使成键位置已经占满,该原子仍会表现为正电荷中心,并继续通过分子间相互作用吸附带有负电荷倾向的原子。因此,可能会形成一系列具有独特分子结构的共价化合物。
其四:由于奇异夸克团带有+1/3电荷,其自身或其改性的离子同样也会在离子物质中产生非同寻常的数量比。为了维持物质的电中性,可能会在普通的离子物质的基础上,出现新的离子数量配比。不一样的离子组合与数量关系,必然产生独特的物理、化学性质。
其五:奇异夸克团可以进入金属的离子实与自由电子体系中。由于自带正电荷,且尺寸极小,它最可能以游离的小正电粒子的形式,在离子实空隙间移动。同样地,由于体系内电荷分布的变化,金属晶格会因此改变,形成不常见的晶相。同时,由于自由电子体系内存在游离的小正电粒子,金属的化学性质(与其得失电子极其相关)也会变化。
2.2.2源石类组装物质
源石类组装物质是最基本,也最异质的源石类物质。它是由带正电的奇异夸克团直接吸附多个原子而形成。由于奇异夸克团的自带电荷,这些被吸附的原子无需遵循任何常规的成键机制。但也因此,这种吸附团簇会变得非常不稳定。
我们以几种可能性进行想象。
首先,是奇异夸克团在大气中游离,并吸附气体分子。我们考虑吸附的原子类型,容易发生极化或者自身具有极性键的分子更容易被吸附,如二氧化碳或水分子,亦或是氩。由于奇异夸克团的质量远超过普通的原子核,一旦它吸附了几个气体分子,这个吸附团簇就会具有很大的分子质量。在气体动力学方面,这些粒子的气体动力学半径也会增加。
然而,由于中性分子无法屏蔽奇异夸克团的自身带电,这些气态粒子之间会存在长程静电相互作用。它们会倾向于相互排斥,或进一步吸附到空气中带有静电荷的尘埃上。这可能导致泰拉的大气中存在悬浮的数十纳米级别的分子团,或百纳米级的气溶胶颗粒。它们无法像真正的气体一样自由扩散,而是存在沉降的趋势。
其次,是孤立的奇异夸克团在液体中的作用。我们考虑最常见的液体——水以及水基溶液。在水中,带有正电荷的奇异夸克团会吸引水分子氧的孤对电子,形成类似于配位化合物的物质。但奇异夸克团的大质量会限制整个配位团的运动。在足够高的浓度下,液体的黏度将会增加。同时,对氧孤对电子的吸附也会改变水分子的电荷分布,进一步强化氢原子的正电倾向,提高电离性。因此,整个水溶液体系的酸性也会增加。
最后,是孤立的奇异夸克团在固体中的作用。如果考虑碳原子,那么奇异夸克团完全可以嵌入碳的晶格间隙,形成间隙固溶体。由于体系内额外的,无方向性的正电粒子与额外电子的牵引,碳倾向于形成更为紧密的晶格结构。因此,在常温下,源石化的石墨成为了一种亚稳态的碳的单质。而源石化的钻石结构反而是热力学上稳定的单质。
同时,体系内仍然存在大量易被激发的电子(在前文奇异夸克团与电子的结合中有论述)。因此,这样的源石结晶将会具有类似于半导体的性质。恰好,黄色光子的能量为2.6 eV,与前文的论述相符合。因此,固态的源石若是在缓慢地释放荧光,那么最有可能的颜色就是黄色。
如果考虑氮原子与氧原子,那么,仍然有可能形成不太稳定的固体。但是,氮原子与氧原子的电负性很高,它们不易与带正电的奇异夸克团分享电子。这种亚稳态的,富含氮氧原子与奇异夸克团的不稳定固体可能很脆弱,一旦受到冲击,就容易发生剧烈分解,释放能量。与酮类混合,发生氧化还原反应,能量还会增加。这可能是泰拉上源石炸药或者高能推进剂的化学基础。但并不是源石那些更高能用途的合理解释。
2.2.3源石类有机化合物
由酮凝集,聚酯材料标签上的提示,我们知道,有机化合物中的碳原子可能会被源石改造,成为略微不一样的原子。因此,我们讨论,有机化学中最常见的一系列官能团被奇异夸克团改性之后,对有机分子的化学性质有什么影响。
首先,讨论最明显的酮羰基。它的化学式中,碳原子甚至直接被一个菱形符号代替。当中心碳原子被奇异夸克团改性时,官能团的性质会大幅度变化。由于额外正电荷的加入,羰基碳与带有部分负电的氧原子之间将出现巨大的电偶极。在分子**现如此明显的电偶极,将在分子间产生类似于氢键的强分子间相互作用。因此,即使是易挥发的丙酮,经过改性后也会成为如同水一样甚至更难挥发的粘稠液体。
其次,碳原子上增强的正电荷使其具有介于碳自由基与普通碳原子的化学活性。因此,在常规酮试剂中不易出现的水合二醇反应会更容易发生。酮羰基可以与一分子水结合,成为这个碳原子上的两个羟基。甚至于,由于碳原子的强吸电子性质,羟基上的氢原子也更容易脱离为游离质子,从而呈现酸性。
因此,这种酮试剂更容易水合,并产生酸性的粘稠液体或玻璃态。同时也更容易发生其他的缩合或聚合反应,在碳原子周围吸取更多能提供电子的原子,或是对阴离子形成强大的配位结合。这甚至可以解释为何聚合剂这种高级产物需要使用酮阵列来制造。
其次,我们讨论酯基。由于中心碳原子带有额外的正电荷,它不仅牵引双键氧的共用电子对,还会额外牵引桥键氧原子的孤对电子。这让碳-氧单键的强度上升,变得有了一些双键的性质。缩短的碳氧键整体上对反应中心形成了保护,并强化了键合。我们推测这些酯基的稳定性并不会明显低于普通物质中的酯基,它们可以在常温环境下耐受腐蚀。不过,由于中心碳原子还是具有不平衡电荷,富含电子的分子可以与聚酯类发生一些化学反应。
由于链内具有非常明显的电偶极分布,两条链间相互靠近的酯基容易出现电荷吸引。且聚合物的规则链长使不同链上的酯基可以对齐,实现优秀的结晶度与链间结合。因此,聚酸酯类表现出的性质是坚固的,难以拉伸破坏的。不需要很高的聚合度,就能实现近似于超高分子量聚乙烯、凯夫拉的纤维强度,从而成为良好的结构材料。
与此同时,由于分子中带有明显的极性官能团,这些均质材料是亲水的,且具有很高的表面能。这会导致尚未改性的酯材料非常容易脏污,但也可能带来良好的生物亲和性。分子链中携带的额外电荷同样也会吸附电子。这些在聚合物链的各个碳原子之间跳跃的电子显示出自由移动的潜力,因此还可能具有半导体的性质。因此,聚酸酯组可以用于合成固化纤维板。或者用聚酸酯为助熔剂原料,破坏金属的氧化层(也是极性的)从而精炼锰矿、异铁。
有机化合物中其他多样的官能团,以及经由奇异夸克团改性而稳定存在的环丙基等新颖官能团,可以为源石化的有机化合物提供不同寻常的性质。它们可能最终形成了环烃聚质,手性屈光体,扭转醇等独特的材料。不过,由于糖系列的化学式中并未包含独特的符号,我们暂且认为糖仍然是糖。泰拉人的生理化学反应过程仍然基于地球碳基生物的框架,因此至关重要的糖分子并未,也不能被改变。
2.2.4源石类共价化合物
由于三个奇异夸克团才能凑出一个整数电荷,而电子最小带有一单位正电荷,因此,存在源石影响下的共价化合物将很可能出现大量不一般的分子式。或者,通常环境下不稳定的分子也会稳定存在。
首先是气态分子。大多数气体单质都会以双原子分子的形式存在,但奇异夸克团的存在使三个原子附加三个奇异夸克团才能凑整,否则会处于电荷不平衡的状态。此时,我们可以预计一些独特的分子存在:H*3,N*3或者O*3等。这里的星号表示原子已被奇异夸克团改性。
对于H*3,它的电子结构会比较独特。其内部是由3个质子,3个奇异夸克团与2电子组成的核心,电子轨道类似于单个氦原子。尚未被平衡的两个核心正电荷与外层两电子构成一个分布在正三角形结构上下面的π键。
虽然对单个原子来说,并未构成两电子稳定结构,但整个体系具有三个正电中心,一个填满的1S轨道与一个依赖三正电中心稳定的填满的2P轨道(2S轨道被分散中心电荷结构跳过了)。但是考虑到奇异夸克团非常沉重,这个分子无法以真正的气态存在。
对于N*3,实际上它的最可能是结构略受到改变的叠氮阴离子。叠氮阴离子为三原子直线结构,氮原子分别带有-1,+1,-1电荷,整体可恰好中和三个奇异夸克团的+1电荷。为保持体系的对称性,三个奇异夸克团依靠较弱的相互作用,在中心氮原子上形成一个套环。
但是由于中心氮原子带正电,奇异夸克套环实际上以紧绷的状态吸引两端负电氮原子,并受到中心氮原子排斥,形成“纺锤状”。由于具有明显的正电中心与负电中心,该分子是强极性的,预计会在常温常压下以液体或固体形式存在。由于电荷平衡与对称,该分子预计是化学稳定的。但由于内部张力,它极有可能在源石技艺的作用下发生猛烈爆炸。
对于O*3,它的结构可能是改变的臭氧。一般的臭氧分子结构是V形,含有两个σ键与一个三中心四电子π键结构。但是在这里,奇异夸克团的带电可以平衡这个体系,避免三角形过大的电子斥力。
此时,三个氧原子形成等边三角形,成3个σ键。每个氧原子自带2对孤对电子,位于三角环外围。6个奇异夸克团分布于氧原子间,由其正电荷吸引,消除键角张力与电子斥力。2个剩余电子在整个分子上形成π键。该分子预计在常温常压下会以液体存在。它的化学性质尚且难以评估,但激活后会是强氧化性。
对于环丙烷,则状态与O*3类似。但碳原子外围则是由C-H键代替了孤对电子。
接下来,我们考虑地壳最常见的物质:硅酸盐类。以硅氧化合物的基础——二氧化硅为例。二氧化硅中,硅原子具有4个键,按照空间四面体方向展开,类似于钻石结构。不过,硅与硅之间并非直接连接,而是有氧原子作为过度。对于奇异夸克团,它最可能吸附在带有孤对电子的氧原子上,并向体系内一并引入用于平衡电荷的额外电子。
由于这些额外的电子主要受到奇异夸克团的1/3电荷吸引,它们容易获得能量并克服这一阻碍,在晶格的导带自由移动。这意味着,受到奇异夸克掺杂的二氧化硅会呈现出半导体的性质,与RMA70-12,源石晶体电路等物质呈现出的属性相符合。
诸如此类,不一而足。为了在合理的篇幅内完成本文,我们就不再讨论更多种类的共价键物质了。但类似的原理可以推广到更多由共价键形成的物质上,从而支撑RMA70系列,晶体电路等明日方舟独特材料的性质。
2.2.5源石类离子化合物
奇异夸克团自带电荷的性质使其很容易融入离子化合物中。并且由于离子自带电荷,只需要调整奇异夸克团与离子的比例,就能使整个物质呈现电中性,而无需引入额外的电子。
以最基本的氯化钠为讨论的例子。在氯化钠中,按照氯离子数掺入奇异夸克团,就可抵消三分之一的钠离子。因此,这种被改造的盐类将具有Na2Cl3的化学式。在晶体学中,最常见的2:3阳阴离子比例结构就是刚玉结构。这种刚玉结构的源石化氯化钠中,氯离子仍然为密堆积。但钠离子只占据氯离子密堆积空隙的三分之二。由于氯离子略小于氧离子,而钠离子略大于铝离子但仍小于铁离子,这个结构是可以成立的。余下三个微小的奇异夸克团可能位于部分氯原子的电子层内部,或是处于体系的四面体空隙中。
这个物质将表现出六棱柱状或者菱面体结晶,而且更难破碎。由于奇异夸克团的增加,物质的密度上升了,可能会如同重晶石甚至重金属一般。由于额外的微小的奇异夸克团填充在离子间隙(能够填充在二级间隙的颗粒很不常见),它能够固定氯离子的滑移,从而大幅增加物质的硬度。同时,由于体系内仍然存在钠离子可插入的空位,在通入外加电流并浸没在熔融盐中时,这个晶体可作为相当优秀的钠离子导体,可能用于钠离子电池。
再以独特的钙钛矿型结构:RbLiCl3为例讨论。这个化学物质中,Rb与Li离子都+1价,在加入适量奇异夸克团后,可以平衡氯离子的电荷。由于Rb+与Li+的尺寸差异很大,且这个差异适当,它们可以形成钙钛矿结构:每个单元由Li+为中心,在其上下左右前后各放置一个Cl-。这样的八面体结构以立方形状,共用顶点,堆积起来,就形成一个疏松的网格。在网格的空隙填入较大的Rb+离子,即可稳定成形。由于电荷吸引的作用,奇异夸克团最可能位于Li+附近,氯离子的间隙处,进一步稳定这个结构。
从它的结构以及离子组成,我们可以推测几种性质:首先,这是一种透明的晶体。由于使氯离子P轨道向锂离子2s轨道提供一个电子非常困难,该物质的带隙会超过7.0 eV,因此是完全透明的。在紫外光区间,则由于氯离子会被激发,而开始吸收光子,并释放蓝色或蓝紫色荧光。
其次,它易溶于水,因为组成的离子全部可溶于水,也没有不溶于水的组合。这意味着这种物质的最佳合成方法可能是高温熔融结晶。第三,锂离子相较于氯离子的尺寸很小,因此容易从氯离子网格的间隙穿过。因此,这个物质预计具有高锂离子电导率。
第四,由于加工过程中添加奇异夸克团的偏差,体系内可能同时会出现略微缺少氯离子或电子过多的情况。形成的氯离子空位若吸附一个电子,就形成色心。而碱金属卤化物的色心恰好是淡紫色。
经过改造的离子化合物将具有非同寻常的离子数量比以及与原型不同的晶格结构,主要改变了这些离子化合物的物理性质。其**现的晶格缺陷也将为其带来独特的光学、半导体性能。这可以为转质盐和烧结核凝晶等新型盐类材料提供合理的性能支撑。
2.2.6源石类金属
金属本身由失去几个电子的离子实,和在外围自由移动的电子组成。离子实固定在晶格位点上,因此金属具有一定的强度。而自由移动的电子为金属带来良好的导电性,导热性,并且允许金属变形而不断裂。带有正电荷的奇异夸克团与额外的电子也可以进入金属中,形成独特的掺杂效应。
首先,我们估计它对金属硬度的影响。奇异夸克团本身的尺寸又极小,因此几乎总会以填隙掺杂的方式进入金属晶格的缝隙中。由于奇异夸克团具有+1/3电荷,它会吸引附近的自由电子云,形成一个局部的电子高密度区域,强化粒子的结合。如此一来,金属晶格内就镶嵌有大量小的“颗粒”,明显地阻碍面缺陷在金属中的移动。
在高速冲击时,由于面缺陷被奇异夸克团阻碍,金属不能轻易地发生塑性形变。(常温下,金属塑性形变大多是由于线缺陷的滑移带来的。)于是,金属在面对锤击、炮弹时可获得巨大的强度提升。其表现出来的强度将介于常见的微晶缺陷金属与单晶金属之间,呈现出很高的屈服强度和硬度。
但是,奇异夸克团的小尺寸也意味着高扩散速率。在常温下,随着奇异夸克团的扩散,晶体内的线缺陷仍然可以缓慢移动,所以金属的蠕变性能几乎不会发生变化。在高温下,奇异夸克团的扩散容许外部力量改变金属的形状,获得一定的锻造性。(仍然坚硬但不至于无法锻造)
作为一种较小的正电粒子,它的活跃也有助于帮助金属原子滑移中断开连接并重新连接的过程平缓过渡,而是直接断裂。这改善了金属的延展性。
在金属的晶界上,奇异夸克团可能存在不同的效应。如果奇异夸克团能够在金属的晶界间隙形成额外的正电吸引,可能诱导晶界两侧的金属原子进一步共享电子。这样可以稳定该区域的自由电子云,那么,金属的晶界就会更加坚固,它也不再有晶界腐蚀的弱点。
然而,如果晶界存在大量的杂质原子,或者奇异夸克团的浓度过高,就可能在晶界形成连续的杂质层。这时,就像是金属的“氢脆”效应,使金属容易沿晶界裂开。这也可以解释异铁碎片为什么几乎都是单晶,且熔合困难,必须随着熔合提高纯度。
最后,是金属的化学性质变更。在金属表面形成氧化层或其他化合物层时,奇异夸克团同样会被引入反应层中。在部分情况下,奇异夸克团会诱导氧化层形成更加稳定的结构,从而改善金属的耐腐蚀性,但也降低了金属的焊接性。异铁与D32钢可能具有这样的性能。在另一些情况下,受到改性的表面化合层或者金属化合物可以参与到其他物质的涉及奇异夸克团的物理化学反应,从而成为有效的催化剂。三水锰矿作为改性的过渡金属化合物,可能具有这样的性能。