誕生138億年的邪門元素，讓巨輪斷裂大橋損毀，威力超乎想象

138.2億年前，一場炫目的無聲爆炸之後的第一秒，許多事情在同時發生。溫度在下降，空間距離在膨脹，四大作用力逐漸分解開來。38萬年後，電子和原子核結合成為原子，再之後宇宙中的第一種元素誕生了，那就是數量佔比高達91.2%的氫。

誕生得最早，又身姿輕盈的氫，彷彿傳說中的精靈。和氧結合之後，只產生純凈的水的性質，讓它成為了清潔能源的超級潛力股。換種流行的說法就是，氫元素——未來可期。

清潔能源——單原子氫

可是早在1766年，著名科學家卡文迪許就製備出了氫氣。幾百年過去了，是什麼讓氫仍然沒有攀上巔峰，成為主流扛把子呢？因為小小的氫在工業應用上，前科太多太多了。

造價昂貴的巨輪，一個月給你沉140艘；延伸着80號州際公路的海灣大橋，一不小心就差點被搞報廢。為了把這淘氣的元素，從野生馴成家養，化學家們可是耗了不少心思。那麼，氫為什麼會有如此驚人的破壞力呢？

因氫脆而損壞的大橋

二戰時美軍為了提高運輸效率，決定對自己的運輸設備做一次升級大改造。2710艘Liberty Ship 自由輪華麗登場。這些船成本較低、工期較短，一次能運載5500噸左右的貨物，美軍對這些船的未來寄予了無限希望。

然而好景不長，不到三千艘的自由輪中，1500艘出現了無法在航行中修補的裂縫。當時正值冬季，低溫之下，一些自由輪毫無預兆地斷為兩截。損失的物資不說，許多士兵不得不在茫茫海面掙扎求生，對美軍的後勤補給造成了嚴重的影響。

其中最出名的一件，發生在1943年1月16日，當晚平靜的黑暗被一聲巨響劃破，尚未交付的 S.S. Schenectady 號油輪，在造船廠內裂成了兩半。這艘油輪是該造船廠承接的第一份訂單。消息一出，滿座皆驚。

也有一些人自我安慰，也許是這廠技術不夠成熟呢？無情的事實在兩個月之後打了他們臉。另一艘自由輪 the Esso Manhattan 號，在進入紐約灣的時候也裂開了。

自由輪 the Esso Manhattan號

偶然的一艘兩艘出師未捷身先死也就罷了，問題是這些自由輪彷彿約好了一樣，以一個月140艘的速度沉沒。自由輪在當時的造價是每艘約200萬美金，相當於現在的3600萬美金，這種名副其實的往水裡扔錢聽響的行為，家底再厚也經不住。

問題究竟出在哪兒？由於技術上的限制，戰爭時期沒有人知道答案。不過呢，只要思想不滑坡，辦法總比困難多。美國人一拍腦袋，既然是破了，那往上打補丁不就得了。縫縫補補，三年又三年。

於是美國的造船廠們達成一致，對事故發生原因的研究先推一推，我們一起來用鋼板給裂縫處打補丁，防止輪船繼續開裂吧。這種從補衣服得到的靈感還挺有效，熟能生巧之後，這些防開裂鋼板就有了正式的名字——止裂鉚縫。

輪船的縫縫補補——止裂鉚縫

全面推廣補丁技術後，自由輪的月沉沒數降到了20艘/月，變成了之前的七分之一，真是可喜可賀。二戰之後，終於閑下來的美國人，開始總結教訓。自由輪沉沒的事情，比海底的自由輪更早浮上水面。

美國海軍研究實驗室的物理學家，喬治·歐文決定對自由輪的數據進行研究。終於 他找到了沉船的最大原因——氫。

這事說起來還得怪美軍高層，20世紀初一些新的焊接技術投入應用，比如手工電弧焊和焊條焊接。電焊時電弧或乙炔燃燒的熱量會熔化金屬，使兩塊金屬焊到一塊，一刻也不能分割。

20世紀初焊接技術的引入

在電焊技術出現前，拼接輪船的金屬板用的是鉚接技術，打洞、放鉚釘、啟動用鉚釘槍鉚死它們。看起來非常簡單，但在實際操作中，需要受過專門訓練的技工來確定鉚哪兒、鉚幾個、怎麼鉚。

這些技術型工人的工資，足足佔了輪船組裝人力成本的三分之一。此外鉚接時還需要把金屬板交疊，船體的重量和原材料成本手牽着手飛升，打仗花錢的速度比扔火里燒還快。再加上前線補給需求的坑的增加，鉚接工蘿蔔不夠用了。

美國聯邦海事委員會一拍腦袋，要求美國的造船廠統一用焊接替代鉚接，勝利的果實很快就摘到了手。1930到1937年間，美國的造船廠製造了71艘船。用上電焊技術後，1939到1945年間，美國的造船廠總計出廠5777艘船。

製造一艘自由輪的速度更是驚人，5天即可完成。但是一切命運饋贈的禮物，都在暗中標好了價格。當時的人們不知道的是，焊接時會產生單原子氫，而把兩塊鋼板合成一塊的過程中，偶爾會有性格叛逆的原子，不肯乖乖的跑到合適的位置。

原本整齊的金屬原子陣列中，就會發生錯排、空隙的現象，科學家們管它叫“位錯”。調皮的單原子氫一看，真巧你也喜歡逼死強迫症啊。它就鑽到發生位錯的原子身邊，呼朋喚友形成氫氣。

焊接時產生的特殊情況——位錯

位錯本來就是金屬材料的薄弱區，等到焊接完畢、材料漸漸冷卻的時候，氫氣們開始想念外面自由的空氣。它們就會團結起來猛攻弱點，破壞金屬的結構，讓金屬脹氣變脆，這個現象被命名為氫脆。

可別小看了它，有時氫氣在金屬內能累積成18.7兆帕的高壓，是地表氣壓的187倍。還有一種情況，高溫之下被鋼鐵吸收的氫原子，可能和鋼材中的碳原子形成甲烷氣體，使鋼材脫碳變脆，這被稱為氫腐蝕。

金屬變得脆弱，堅固的本質被腐蝕之後，它們的結局就是註定的——開裂。油輪運輸的重物和海浪的拍打，會加速裂痕的擴張。更可怕的是，已經發生氫脆或氫腐蝕的金屬，表面看起來無事發生，躲過質檢那是輕輕鬆鬆，根本不會引起製造和使用者的警覺，這就埋下了隱患。

使用者無法預知，腳下的龐然大物會在什麼時候、什麼地方無情的裂開，讓冷冷的海水在臉上胡亂地拍，跟乘客玩一把心跳。

早在1875年W. H. Johnson，就發現了愛和人們玩心跳的氫脆。不過在自由輪大量出事前，大家不知道氫脆有這麼強的破壞力。在總結了自由輪“生病”的原因後，喬治·歐文開創了一門新學科，專門分析斷裂力學和材料強度。

建築業和製造業，也終於開始重視宇宙第一元素貌不驚人的氫。很可惜的是，雖然我們知道了什麼是氫脆，但迄今為止，研究者們還是沒有完全弄清楚氫脆的原理。

氫脆現象

由於氫元素的隨心所欲，我們無法預測材料會在何時何處出現氫脆，因此最好的方法還是預防。研究不透氫脆，條條大路通羅馬，改研究電焊吧。

經過長期的論證和實驗，產生單原子氫的原因，是因為電弧和焊條表面的纖維素塗層會和空氣中的水蒸汽接觸。對此人們首先決定，提高焊條的抵抗力，於是低氫焊條應運而生。它可以減少單氫原子的產生，適用於焊接高強度的鋼材。

一波剛平一波又起，有時氫在製造過程中就擴散到了金屬里，電鍍和清洗的過程也可能會產生單原子氫。

博士舉個例子，一些螺栓為了防腐蝕，常會做一層鍍鎘。單原子氫那麼小，那麼無孔不入，自然不會放過乘鍍鎘的時候鑽進去的機會。

因此美國空軍不得不設立了低氫脆性鍍鎘的標準，並要求承包商嚴格遵照執行。為了去除氫，螺栓的供應商通常在鍍鎘後，對螺栓進行退火等熱處理工藝，讓氫氣從螺栓中逸出。除了這些，還有一種方法，叫做真空高溫冶煉。

真空高溫冶煉

顧名思義，對金屬原材料進行冶煉加工時，讓外界保持真空，氫自然就無法鑽進金屬里，而是被抽吸到環境之中。為了避免氫脆“病毒”入侵材料，研究者們可謂是挖空了心思。

在氫的人畜無害面具被摘下後，氫脆引發的災難相對減少了許多，但也沒有徹底絕跡。比如視頻開頭提到的海灣大橋。2013年美國終於決定，改造重建在1989年大地震中受損的，舊金山-奧克蘭海灣大橋東段新橋。

維修中的舊金山-奧克蘭海灣大橋

72億美元的投資，讓這項工程成為加州史上最昂貴的工程之一，重建後的新大橋將會超越金門大橋，成為美國又一新地標。尤為引人注目的是，這座新大橋最重要的東段，由中國上海振華重工建造。

在通車前的測試中，細心的工程師發現了問題。負責把橋面架設在水泥柱上的保險螺栓，在測試運行2周後就出現了裂痕，96個保險螺栓里壞掉了30個，究其原因還是氫在搗亂。

最後更換螺栓花費了預估的五倍，氫脆毫不猶豫地帶走了加州運輸部2500萬美金，輿論一片嘩然，可這錢又不得不花。畢竟海灣大橋要是變成斷橋，可沒有貌美心善的女子，在雨天向美國人民借一把傘。

氫的“壞脾氣”不但禍害別人，也阻礙了自身發展。在氫脆的陰影下，用金屬材料長期儲存高壓氫氣，就相當於養了個不定時炸彈，典型案例發生在法國。

法國金屬氫氣罐發生意外爆炸

1988年里昂附近的聖豐小城，一個3千升的金屬氫氣罐發生爆炸，方圓半里內的財物無一倖免。可是它是在1939年投入使用的，誰也猜不到，半個世紀相安無事後，氫還是來了一出昂貴煙火。

雖然氫氣的燃燒產物只有水，但氫帶來的這些麻煩，使能夠安全壓縮氫氣燃料的商業技術一直難產，氫氣運輸管網成本居高不下。最最最重要的是，氫氣擴散速度極快，而且重量輕向上跑。所以在空曠地區，很快就散發到天空中，爆炸概率不大。

但是在隧道里就不一樣了，美國實驗了一把。按照聯邦要求快速排走了儲氣罐的情況下，氫氣泄露1秒後，1米距離內到達爆炸濃度；2秒後，3米內達到爆炸濃度。

運氣好氫表演一個噴火，如果運氣不好，1秒之後點着可能會炸死車內人，3秒之後點着十米之內的人自求多福吧。假如這時候後面再開來一輛燃油車，那畫面真是不敢想象。

有的觀眾會說，氫氣擴散快不是比燃油安全嗎？非也非也，擴散快的另一面就是，同樣的爆炸之下，汽油有十幾分鐘的逃跑時間；天然氣有幾分鐘逃跑時間；氫氣給你兩秒。

我國汽車工業協會副秘書長葉盛基曾表示，氫燃料汽車在產業化推進中，仍處於起步和培育階段，話是說得相當委婉。

氫元素，由宇宙大爆炸產生，也被爆炸限制，是名副其實的第一元素，卻遲遲沒有成為第一能源。不過，人類對科技永遠充滿好奇，充滿探索的慾望，也許不久的將來，我們就可以讓能源“氫”一個，再穩定的“氫”很久。