不久前國內(nèi)的熱映國產(chǎn)科幻大作“流浪地球”，其中主角劉戶口在地球即將隕落之時(shí)，想出了一個(gè)近似瘋狂的解決方案——點(diǎn)燃木星。

也是在最近，我們?cè)诜锤鞔髮W(xué)術(shù)期刊的前沿研究的時(shí)候，也發(fā)現(xiàn)了這么一個(gè)在家點(diǎn)燃球體的研究——點(diǎn)燃我們敬愛的葡萄。

（來源：論文視頻）

這樣近似黑科技作死的研究由三位加拿大科學(xué)家 Aaron D. Slepkov、Hamza K. Khattak 和 Pablo Bianucci 發(fā)起，他們從用微波爐點(diǎn)燃葡萄的“日常”現(xiàn)象中（不要在家自己嘗試！不要在家自己嘗試！不要在家自己嘗試?。?，連接到微波在物體表面的共振效應(yīng)，無論是從研究的出發(fā)點(diǎn)和理論推導(dǎo)都是腦洞大開的，頗有“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)作品嚴(yán)肅活潑的風(fēng)范。目前，他們的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為名副其實(shí)的“微波爐墓地”，現(xiàn)已有 12 臺(tái)微波爐在那里“逝世”。

研究的成果以論文的形式出現(xiàn)在人們眼前，這是一篇發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》（下簡(jiǎn)稱 PNAS）的論文，實(shí)在想不到，連 PNAS 這么濃眉大眼的嚴(yán)肅學(xué)術(shù)期刊也逗比了。文章題目為“Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers”，翻譯過來是：“從葡萄間的等離子體現(xiàn)象到水性二聚體的微波共振”。

圖丨此次論文（來源：PNAS）

頂著這種看似一本正經(jīng)卻胡說八道的標(biāo)題，文章講到底就是研究了微波爐怎么點(diǎn)燃葡萄，但是其中卻藏著玄妙。

我們知道微波爐是日常生活中經(jīng)常使用的家用電器，我們可以很方便地用它們來熱飯菜、做燒烤、解凍、烘干以及等等。其原理簡(jiǎn)單而言，就是利用微波爐發(fā)射的電磁波，帶動(dòng)水和其他極性分子高頻進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和摩擦。摩擦摩擦就能在短時(shí)間將溫度升高。我們基本的操作就是將飯菜放入微波爐，然后調(diào)節(jié)模式，進(jìn)行加熱。那如果放入兩顆緊挨在一起的葡萄呢？我們先來看看現(xiàn)象，圖片奉上！看之前答應(yīng) DT 君別去做！

葡萄貼在一起的部分，炸了！真的，炸了！

這根本不是微波爐的正確的打開方式吧！我們平時(shí)熱飯菜也沒見這么威猛??？所以到底哪些操作時(shí)關(guān)鍵呢？這個(gè)問題其實(shí)困擾了廣大人民群眾 20 年之久，直到 Ron D. Slepkov、Hamza K. Khattak 和 Pablo Bianucci 將微波爐和葡萄若干帶進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。

答案就在論文題目里，我們需要從葡萄間的等離子體現(xiàn)象講到水性二聚體的微波共振。

等離子體與共振

首先，我們看到的葡萄點(diǎn)燃，并出現(xiàn)高亮的火光，這就是葡萄間的等離子體現(xiàn)象，這可不是一般的燃燒，這是劇烈的燃燒。

火光的出現(xiàn)就是離子體的一個(gè)象征，這是葡萄中所含的鉀和鈉元素被離子態(tài)化所形成的亮光，呈現(xiàn)不一樣的色彩。

圖丨實(shí)驗(yàn)中葡萄的熱量分布圖

三位研究者發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象和微波爐以及葡萄有著密切的關(guān)系。就仿真結(jié)果而言，微波爐點(diǎn)燃葡萄現(xiàn)象是由于葡萄相連處出現(xiàn)了局部高熱量，并使得葡萄所含的鉀和鈉元素被離子態(tài)化，但是這個(gè)高熱量是怎么產(chǎn)生的呢？并且他們發(fā)現(xiàn)如果將葡萄換成大一點(diǎn)的橘子，緊挨在一起卻不能實(shí)現(xiàn)相同的現(xiàn)象，這一切的一切都指向了微波作為電磁波的特性。

微波是一類具有特定波長(zhǎng)的電磁波，而電磁波又十分“在意”物體的尺寸。如果你的尺寸比電磁波大很多，那它拿你沒有辦法，但是如果你的尺寸與之相近，就會(huì)發(fā)生很有意思的現(xiàn)象。比如，我們熟悉的光也是一種電磁波，遇見與自己波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。

我們常用的家用微波爐發(fā)射的電磁波頻率為 2.5 GHz，根據(jù)換算公式可以得出電磁波在空氣中的波長(zhǎng)為 12.5 cm，而在水溶液中是 1.5 cm。這個(gè)數(shù)值就十分關(guān)鍵了，一顆葡萄的尺寸差不多也就是 1.5cm ！

并且這三位加拿大科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要是 1~2 cm的其他水果（含水量應(yīng)和葡萄接近），或者是相同尺寸的水凝膠靠在一起，也能出現(xiàn)類似的火花現(xiàn)象。甚至，他們本著科（jiu）學(xué)（shi）求（wu）真（liao），將一個(gè)葡萄切成兩半，緊貼在一起放入微波爐中也能出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

這也是電磁波的衍射現(xiàn)象么？（敲黑板?。┫冉o答案，這是微波在兩顆葡萄中發(fā)生了與尺寸相關(guān)的共振（Moprhology Dependent Resonances）現(xiàn)象，這也是點(diǎn)燃葡萄的核心。

首先說共振（resonance），這是物理學(xué)上的一個(gè)運(yùn)用頻率非常高的專業(yè)術(shù)語，是指物理系統(tǒng)在特定頻率下，比在其他的頻率下，會(huì)以更大的振幅做振動(dòng)的情形，這些特定頻率稱之為共振頻率，而這個(gè)頻率其實(shí)和物體尺寸息息相關(guān)當(dāng)電磁波進(jìn)入葡萄的時(shí)候，也會(huì)將自己的能量傳遞給葡萄。

我們可以看看一個(gè)葡萄的時(shí)候：

圖丨單個(gè)葡萄共振圖

微波會(huì)從一頭進(jìn)入葡萄，再從另一頭射出葡萄，在兩個(gè)界面處都會(huì)產(chǎn)生折射和反射。若是葡萄的尺寸和在其中傳播的微波波長(zhǎng)相同，就會(huì)產(chǎn)生共振。簡(jiǎn)單而言，就是說在出射界面處會(huì)產(chǎn)生反射，反射波的形狀與入射波形狀幾乎一樣，彈回去的反射波又會(huì)在入射界面處產(chǎn)生反射，然后就子子孫孫無窮盡也。這樣多次入射波和反射波的疊加也就形成了共振，由此可以形成局部的高熱。的確，該篇文章的作者通過仿真發(fā)現(xiàn)，單個(gè)葡萄只能在內(nèi)部產(chǎn)生局部高熱點(diǎn)（如圖a ）。

圖丨 FDTD微波點(diǎn)葡萄仿真圖，其中紅色表示高溫，藍(lán)色表示低溫

（a）單個(gè)葡萄（b）緊挨著的兩個(gè)葡萄

那么我們是不是只需要一個(gè)葡萄就好了呢？

這其實(shí)還不足以將鉀和鈉元素離子態(tài)化，我們還需要第二個(gè)葡萄。這是因?yàn)樵賲柡Φ墓舱褚矔?huì)有一部分能量損失，并且在內(nèi)部聚集高熱量也會(huì)先將水蒸發(fā)成水蒸氣，然后可能會(huì)從內(nèi)部發(fā)生爆炸，就像我們將一個(gè)完整的生雞蛋放入微波爐中加熱會(huì)爆炸一樣。我們必須增強(qiáng)這一部分能量，并將這些能量帶出葡萄，那么最佳地點(diǎn)就是葡萄的表面。

而這就輪到標(biāo)題中的“二聚體”出場(chǎng)——兩個(gè)葡萄就能輕松解決這些問題。

圖丨 漸逝波示意圖

兩個(gè)葡萄放在一起，它們緊挨著能形成“米氏散射共振（Mie Resonance）”，能在相連的界面處以“漸逝波（evanescent wave）”的形式將兩個(gè)葡萄接收的電磁波進(jìn)行耦合與疊加。這是一種存在于界面與界面之間的波，當(dāng)光從玻璃或者水射向空氣中并形成全反射，在界面處會(huì)出現(xiàn)沿界面?zhèn)鞑サ臐u逝波，其實(shí)就是能量的一種載體。

這樣的結(jié)果就是，電磁波傳遞給葡萄的能量就能全部地保留在這兩顆葡萄中，而在相連處將會(huì)存在最多電磁波的同相位疊加，也就是說會(huì)在葡萄相連處形成最最最最劇烈的高熱。這就好比我們將兩個(gè)微型的透鏡放在一起，將能量聚焦到了一起。

三位研究者還十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯苛藘深w葡萄之間的距離，發(fā)現(xiàn)量葡萄間距在 1/100 微波波長(zhǎng)以下時(shí)能實(shí)現(xiàn)高熱現(xiàn)象。這也和“漸逝波”的物理特征有關(guān)，這是一種能量隨距離以指數(shù)形式衰減的波，距離越長(zhǎng)能量越小。若是離得太遠(yuǎn)，由“漸逝波”傳遞的能量也就少了很多，也就不能形成高熱現(xiàn)象了。

那么說了這么多，你也許會(huì)奇怪，如果不用水果或者水凝膠，用其他不含水的東西來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，能不能重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？答案寫的是水性二聚體哦，當(dāng)然也表明水在這個(gè)研究中的意義十分重大。

第一，微波在水與空氣中的波長(zhǎng)相差很大，很容易形成全反射，而全反射是形成“漸逝波”的必要條件。第二，水的對(duì)于微波的吸收系數(shù)很小，也就是說葡萄對(duì)于進(jìn)入內(nèi)部的電磁波幾乎沒有吸收，這也為在表面聚集高強(qiáng)度的電磁波提供條件。第三，水是形成“葡萄的等離子體現(xiàn)象”的有利條件，葡萄中含有的鈉和鉀以水溶的形式形成離子，成為在葡萄表面被離子態(tài)化的先決條件。

有什么用？

研究了這么久，總算把點(diǎn)燃葡萄的法子弄清楚了?；氐娇茖W(xué)家最困擾的事情，這項(xiàng)研究有什么用？這會(huì)難得到既有求知欲，又有恒心，還有大把時(shí)間的三位加拿大科學(xué)家么？

他們認(rèn)為，此項(xiàng)研究能作為納米光學(xué)共振現(xiàn)象的模型來研究，更多的是這些原理能用來設(shè)計(jì)和制作“無源全向無線天線（Passive Omnidirectional Wireless Antennas）”，“高分辨率微波激發(fā)和成像（Superresolution Microwave Excitation and Imaging）”以及等等，說到底就是利用了點(diǎn)燃葡萄與微波波長(zhǎng)的選擇性。

簡(jiǎn)單而言，我利用兩顆葡萄作為接收的天線，任何人向我發(fā)射電磁波，我能接收到的電磁波就只有一種——微波爐的電磁波，頻率為 2.5GHz。實(shí)際中，來自阿根廷和英國的研究者在 2015 年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很小的納米天線，采用的結(jié)構(gòu)形式與此次的葡萄不謀而合。并且，該納米天線還被應(yīng)用于高分辨率的顯微鏡中，成果以論文的形式發(fā)表在 2015 年的《Nature Communication》上。

圖丨納米天線仿真結(jié)果

那么，總結(jié)一下，點(diǎn)燃葡萄需要幾步呢？四步：打開微波爐；將兩顆葡萄緊貼著放在里面；把微波爐關(guān)上；開始點(diǎn)燃。DeepTech在此提醒各位，作死道路千萬條，安全第一條，貿(mào)然用微波爐點(diǎn)燃葡萄，親人可是會(huì)兩行淚的哦。