不久前國內的熱映國產科幻大作“流浪地球”，其中主角劉戶口在地球即將隕落之時，想出了一個近似瘋狂的解決方案——點燃木星。

也是在最近，我們在翻看各大學術期刊的前沿研究的時候，也發現了這么一個在家點燃球體的研究——點燃我們敬愛的葡萄。

（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家 Aaron D. Slepkov、Hamza K. Khattak 和 Pablo Bianucci 發起，他們從用微波爐點燃葡萄的“日常”現象中（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，無論是從研究的出發點和理論推導都是腦洞大開的，頗有“搞笑諾貝爾獎”獲獎作品嚴肅活潑的風范。目前，他們的實驗室已經成為名副其實的“微波爐墓地”，現已有 12 臺微波爐在那里“逝世”。

研究的成果以論文的形式出現在人們眼前，這是一篇發表在《美國科學院院報》（下簡稱 PNAS）的論文，實在想不到，連 PNAS 這么濃眉大眼的嚴肅學術期刊也逗比了。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卻胡說八道的標題，文章講到底就是研究了微波爐怎么點燃葡萄，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。其原理簡單而言，就是利用微波爐發射的電磁波，帶動水和其他極性分子高頻進行旋轉和摩擦。摩擦摩擦就能在短時間將溫度升高。我們基本的操作就是將飯菜放入微波爐，然后調節模式，進行加熱。那如果放入兩顆緊挨在一起的葡萄呢？我們先來看看現象，圖片奉上！看之前答應 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！我們平時熱飯菜也沒見這么威猛啊？所以到底哪些操作時關鍵呢？這個問題其實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了實驗室。

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

等離子體與共振

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

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

圖丨實驗中葡萄的熱量分布圖

三位研究者發現這個現象和微波爐以及葡萄有著密切的關系。就仿真結果而言，微波爐點燃葡萄現象是由于葡萄相連處出現了局部高熱量，并使得葡萄所含的鉀和鈉元素被離子態化，但是這個高熱量是怎么產生的呢？并且他們發現如果將葡萄換成大一點的橘子，緊挨在一起卻不能實現相同的現象，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，就會發生很有意思的現象。比如，我們熟悉的光也是一種電磁波，遇見與自己波長相當的障礙物會發生衍射現象。

我們常用的家用微波爐發射的電磁波頻率為 2.5 GHz，根據換算公式可以得出電磁波在空氣中的波長為 12.5 cm，而在水溶液中是 1.5 cm。這個數值就十分關鍵了，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家發現，只要是 1~2 cm的其他水果（含水量應和葡萄接近），或者是相同尺寸的水凝膠靠在一起，也能出現類似的火花現象。甚至，他們本著科（jiu）學（shi）求（wu）真（liao），將一個葡萄切成兩半，緊貼在一起放入微波爐中也能出現類似的現象。

這也是電磁波的衍射現象么？（敲黑板！）先給答案，這是微波在兩顆葡萄中發生了與尺寸相關的共振（Moprhology Dependent Resonances）現象，這也是點燃葡萄的核心。

首先說共振（resonance），這是物理學上的一個運用頻率非常高的專業術語，是指物理系統在特定頻率下，比在其他的頻率下，會以更大的振幅做振動的情形，這些特定頻率稱之為共振頻率，而這個頻率其實和物體尺寸息息相關當電磁波進入葡萄的時候，也會將自己的能量傳遞給葡萄。

我們可以看看一個葡萄的時候：

圖丨單個葡萄共振圖

微波會從一頭進入葡萄，再從另一頭射出葡萄，在兩個界面處都會產生折射和反射。若是葡萄的尺寸和在其中傳播的微波波長相同，就會產生共振。簡單而言，就是說在出射界面處會產生反射，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在入射界面處產生反射，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現，單個葡萄只能在內部產生局部高熱點（如圖a ）。

圖丨 FDTD微波點葡萄仿真圖，其中紅色表示高溫，藍色表示低溫

（a）單個葡萄（b）緊挨著的兩個葡萄

那么我們是不是只需要一個葡萄就好了呢？

這其實還不足以將鉀和鈉元素離子態化，我們還需要第二個葡萄。這是因為再厲害的共振也會有一部分能量損失，并且在內部聚集高熱量也會先將水蒸發成水蒸氣，然后可能會從內部發生爆炸，就像我們將一個完整的生雞蛋放入微波爐中加熱會爆炸一樣。我們必須增強這一部分能量，并將這些能量帶出葡萄，那么最佳地點就是葡萄的表面。

而這就輪到標題中的“二聚體”出場——兩個葡萄就能輕松解決這些問題。

圖丨 漸逝波示意圖

兩個葡萄放在一起，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）”的形式將兩個葡萄接收的電磁波進行耦合與疊加。這是一種存在于界面與界面之間的波，當光從玻璃或者水射向空氣中并形成全反射，在界面處會出現沿界面傳播的漸逝波，其實就是能量的一種載體。

這樣的結果就是，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，而在相連處將會存在最多電磁波的同相位疊加，也就是說會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謹地研究了兩顆葡萄之間的距離，發現量葡萄間距在 1/100 微波波長以下時能實現高熱現象。這也和“漸逝波”的物理特征有關，這是一種能量隨距離以指數形式衰減的波，距離越長能量越小。若是離得太遠，由“漸逝波”傳遞的能量也就少了很多，也就不能形成高熱現象了。

那么說了這么多，你也許會奇怪，如果不用水果或者水凝膠，用其他不含水的東西來做這個實驗，能不能重現實驗結果呢？答案寫的是水性二聚體哦，當然也表明水在這個研究中的意義十分重大。

第一，微波在水與空氣中的波長相差很大，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，水的對于微波的吸收系數很小，也就是說葡萄對于進入內部的電磁波幾乎沒有吸收，這也為在表面聚集高強度的電磁波提供條件。第三，水是形成“葡萄的等離子體現象”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化的先決條件。

有什么用？

研究了這么久，總算把點燃葡萄的法子弄清楚了。回到科學家最困擾的事情，這項研究有什么用？這會難得到既有求知欲，又有恒心，還有大把時間的三位加拿大科學家么？

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

簡單而言，我利用兩顆葡萄作為接收的天線，任何人向我發射電磁波，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。實際中，來自阿根廷和英國的研究者在 2015 年就已經實現了很小的納米天線，采用的結構形式與此次的葡萄不謀而合。并且，該納米天線還被應用于高分辨率的顯微鏡中，成果以論文的形式發表在 2015 年的《Nature Communication》上。

圖丨納米天線仿真結果

那么，總結一下，點燃葡萄需要幾步呢？四步：打開微波爐；將兩顆葡萄緊貼著放在里面；把微波爐關上；開始點燃。DeepTech在此提醒各位，作死道路千萬條，安全第一條，貿然用微波爐點燃葡萄，親人可是會兩行淚的哦。