童年的玩具里，竟藏着核能发电站的核心科技 | 正经玩_风闻

原创：中科院物理所

孩子的快乐是简单的，

只要一根树枝就能玩上一天，

一个纽扣****一根绳子就是一个非常棒的玩具。

今天小编就来带大家做一个童年的小玩具，

并且看一看这样一个简单的小玩具，

是怎样应用到核能发电站当中去的。

实验器材

螺丝刀（或打孔器）、瓶盖、纸牌、细绳

实验过程

第一步：

首先我们用螺丝刀在纸牌上打两个孔，用细绳穿过这两个孔。

第二步：

用手拿住细绳两端，使劲晃动纸牌让纸牌多转几圈。

转几圈之后可以发现绳子绕起来了，这时我们将绳子拉直，纸牌会在绳子中心转得飞快，绳子此时好像有了弹性，可以拉动收放。

第三步：

重复几次收放之后绳子就拉不动了，效果不是很好，于是我们换成瓶盖再试一下。也是先穿绳。

第四步：

转动几圈之后就可以开始收放绳子。

没有弹性的细绳此时仿佛变成了橡皮绳，可以随意收放，瓶盖在中间“呜呜”转得飞快，真是太好玩了~

原理解说

对于绳子而言，因为材质以及长度等本征原因，其整体扭成的螺旋数量是有限的，如果超过这个限度，绳子就会出现第三个维度的扭结，而这个维度的扭结被称为超螺旋。下面这张图就很好的解释了超螺旋

然后大家可以联想一下弹簧的物理原理：压缩或拉伸弹簧会将赋予的能量转换为弹性势能，释放弹簧时，弹簧返回其平衡位置时，该能量会转换为动能。对于这种“玩具”来说也是如此，通过绳子的扭曲螺旋来储存能量，同时因为超螺旋结构的存在，能够让其储存的能量大幅提高从而提供巨大的转速。有一点必须要提到，因为这个“玩具”，一名科学家Prakash甚至发布一篇nature文章：将这个“玩具”改造成纸质离心机，它和离心机的原理一模一样都是通过高速的旋转带来很大的离心力从而使不同密度的物质分层。科学家Prakash提到其转速甚至可以达到每分钟12万转，这已经完全满足科学家所需要的离心机转速指标。

最后，我们刚刚明白了这个玩具和离心机的关系，那么离心机如何提取核电站所需要的铀？无论是造原子弹还是建核电站，我们都需要铀-235，而不需要它的同位素铀-238（铀-235有92个质子和143个中子，当它吸收中子之后便会产生裂变反应。而铀-238有92个质子和146个中子，它吸收中子之后不会裂变，会直接变成有92个质子和147个中子所组成的铀239）。问题来了，铀-235与铀-238互为同位素，除了原子质量稍有差异，化学性质基本一样，所以我们很难用常见的办法将它们俩分开。但高速旋转的离心机就能够辨别出其微弱的质量差异从而将铀-235提取出来！

参考资料：Bhamla, M., Benson, B., Chai, C. et al. Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nat Biomed Eng 1, 0009 (2017). https://doi.org/10.1038/s41551-016-0009