不久前国内各大院线热映国产科幻大作“流浪地球”，其中主角刘户口在地球即将陨落之时，想出了一个近似疯狂的解决方案——点燃XX。小编这里不能剧透，总之是点燃一个巨大的球体。
也是在最近，我们在翻看各大学术期刊的前沿研究的时候，也发现了这么一个在家点燃球体的研究——点燃我们敬爱的葡萄。
这样近似黑科技作死的研究由三位加拿大科学家 Aaron D. Slepkov、Hamza K. Khattak 和 Pablo Bianucci 发起，他们从用微波炉点燃葡萄的“日常”现象中（不要在家自己尝试！不要在家自己尝试！不要在家自己尝试！）
链接到微波在物体表面的共振效应，无论是从研究的出发点和理论推导都是脑洞大开的。研究的成果以论文的形式出现在人们眼前，这是一篇发表在《美国科学院院报》（下简称 PNAS）的论文，实在想不到，连 PNAS 这么浓眉大眼的严肃学术期刊也逗比了。文章题目为“Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers”，翻译过来是：“从葡萄间的等离子体现象到水性二聚体的微波共振”。
顶着这种看似一本正经却胡说八道的标题，文章讲到底就是研究了微波炉怎么点燃葡萄，但是其中却藏着玄妙。
我们知道微波炉是日常生活中经常使用的家用电器，我们可以很方便地用它们来热饭菜、做烧烤、解冻、烘干以及等等。其原理简单而言，就是利用微波炉发射的电磁波，带动水和其他极性分子高频进行旋转和摩擦。摩擦摩擦就能在短时间将温度升高。我们基本的操作就是将饭菜放入微波炉，然后调节模式，进行加热。那如果放入两颗紧挨在一起的葡萄呢？我们先来看看现象，视频奉上！看之前答应我，答应我别去做！
葡萄贴在一起的部分，炸了！真的，炸了！
这根本不是微波炉的正确的打开方式吧！我们平时热饭菜也没见这么威猛啊？所以到底哪些操作时关键呢？这个问题其实困扰了广大人民群众 20 年之久，直到 ron D. Slepkov、Hamza K. Khattak 和 Pablo Bianucci 将微波炉和葡萄若干带进了实验室。那么这到底是怎么回事呢？
答案就在题目里，我们需要从葡萄间的等离子体现象讲到水性二聚体的微波共振。
等离子体与共振首先，我们看到的葡萄点燃，并出现高亮的火光，这就是葡萄间的等离子体现象，这可不是一般的燃烧，这是剧烈的燃烧！火光的出现就是离子体的一个象征，这是葡萄中所含的钾和钠元素被离子态化所形成的亮光，呈现不一样的色彩。
图2 实验中葡萄的热量分布图
三位研究者发现这个现象和微波炉以及葡萄有着密切的关系。就仿真结果而言，微波炉点燃葡萄现象是由于葡萄相连处出现了局部高热量，并使得葡萄所含的钾和钠元素被离子态化，但是这个高热量是怎么产生的呢？并且他们发现如果将葡萄换成大一点的橘子，紧挨在一起却不能实现相同的现象，这一切的一切都指向了微波作为电磁波的特性。
微波是一类具有特定波长的电磁波，而电磁波又十分“在意”物体的尺寸。如果你的尺寸比电磁波大很多，那它拿你没有办法，但是如果你的尺寸与之相近，就会发生很有意思的现象。比如，我们熟悉的光也是一种电磁波，遇见与自己波长相当的障碍物会发生衍射现象。
我们常用的家用微波炉发射的电磁波频率为2.5GHz，根据换算公式可以得出电磁波在空气中的波长为12.5cm，而在水溶液中是1.5cm。这个数值就十分关键了，一颗葡萄的尺寸差不多也就是1.5cm！并且这三位加拿大科学家发现，只要是1~2cm的其他水果（含水量应和葡萄接近），或者是相同尺寸的水凝胶靠在一起，也能出现类似的火花现象。甚至，他们本着科（jiu）学（shi）求（wu）真（liao），将一个葡萄切成两半，紧贴在一起放入微波炉中也能出现类似的现象。
这也是电磁波的衍射现象么？（敲黑板！）先给答案，这是微波在两颗葡萄中发生了与尺寸相关的共振（Moprhology Dependent Resonances）现象，这也是点燃葡萄的核心。
首先说共振（resonance），这是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语，是指物理系统在特定频率下，比在其他的频率下，会以更大的振幅做振动的情形，这些特定频率称之为共振频率，而这个频率其实和物体尺寸息息相关。其核心就是如果达到了共振频率，系统由外部摄取的能量就会变得很多。当电磁波进入葡萄的时候，也会将自己的能量传递给葡萄。
我们可以看看一个葡萄的时候：
图3 单个葡萄共振图
微波会从一头进入葡萄，再从另一头射出葡萄，在两个界面处都会产生折射和反射。若是葡萄的尺寸和在其中传播的微波波长相同，就会产生共振。简单而言，就是说在出射界面处会产生反射，反射波的形状与入射波形状几乎一样，弹回去的反射波又会在入射界面处产生反射，然后就子子孙孙无穷尽也。这样多次入射波和反射波的叠加也就形成了共振，由此可以形成局部的高热。的确，该篇文章的作者通过仿真发现，单个葡萄只能在内部产生局部高热点（如图a ）。
图4 FDTD微波点葡萄仿真图，其中红色表示高温，蓝色表示低温
（a）单个葡萄（b）紧挨着的两个葡萄
两个葡萄？那么我们是不是只需要一个葡萄就好了呢？这其实还不足以将钾和钠元素离子态化，我们还需要第二个葡萄。这是因为再厉害的共振也会有一部分能量损失，并且在内部聚集高热量也会先将水蒸发成水蒸气，然后可能会从内部发生爆炸，就像我们将一个完整的生鸡蛋放入微波炉中加热会爆炸一样。我们必须增强这一部分能量，并将这些能量带出葡萄，那么最佳地点就是葡萄的表面。而这就轮到标题中的“二聚体”出场——两个葡萄就能轻松解决这些问题。
图5 渐逝波示意图
两个葡萄放在一起，它们紧挨着能形成“米氏散射共振（Mie Resonance）”，能在相连的界面处以“渐逝波（evanescent wave）”的形式将两个葡萄接收的电磁波进行耦合与叠加。这是一种存在于界面与界面之间的波，当光从玻璃或者水射向空气中并形成全反射，在界面处会出现沿界面传播的渐逝波，其实就是能量的一种载体。这样的结果就是，电磁波传递给葡萄的能量就能全部地保留在这两颗葡萄中，而在相连处将会存在最多电磁波的同相位叠加，也就是说会在葡萄相连处形成最最最最剧烈的高热。这就好比我们将两个微型的透镜放在一起，将能量聚焦到了一起。
三位研究者还十分严谨地研究了两颗葡萄之间的距离，发现量葡萄间距在 1/100 微波波长以下时能实现高热现象。这也和“渐逝波”的物理特征有关，这是一种能量随距离以指数形式衰减的波，距离越长能量越小。若是离得太远，由“渐逝波”传递的能量也就少了很多，也就不能形成高热现象了。
那么说了这么多，你也许会奇怪，如果不用水果或者水凝胶，用其他不含水的东西来做这个实验，能不能重现实验结果呢？答案写的是水性二聚体哦，当然也表明水在这个研究中的意义十分重大。第一，微波在水与空气中的波长相差很大，很容易形成全反射，而全反射是形成“渐逝波”的必要条件。第二，水的对于微波的吸收系数很小，也就是说葡萄对于进入内部的电磁波几乎没有吸收，这也为在表面聚集高强度的电磁波提供条件。第三，水是形成“葡萄的等离子体现象”的有利条件，葡萄中含有的钠和钾以水溶的形式形成离子，成为在葡萄表面被离子态化的先决条件。
有什么用？研究了这么久，总算把点燃葡萄的法子弄清楚了。回到科学家最困扰的事情，这项研究有什么用呢？这会难得到既有求知欲，又有恒心，还有大把时间的三位加拿大科学家么？他们认为，此项研究能作为纳米光学共振现象的模型来研究，更多的是这些原理能用来设计和制作“无源全向无线天线（Passive Omnidirectional Wireless Antennas）”“高分辨率微波激发和成像（Superresolution Microwave Excitation and Imaging）”以及等等，说到底就是利用了点燃葡萄与微波波长的选择性。简单而言，我利用两颗葡萄作为接收的天线，任何人向我发射电磁波，我能接收到的电磁波就只有一种——微波炉的电磁波，频率为 2.5GHz。实际中，来自阿根廷和英国的研究者在 2015 年就已经实现了很小的纳米天线，采用的结构形式与此次的葡萄不谋而合。并且，该纳米天线还被应用于高分辨率的显微镜中，成果以论文的形式发表在 2015 年的《Nature Communication》上。
图5 纳米天线仿真结果
那么，总结一下，点燃葡萄需要几步呢？四步：打开微波炉，将两颗葡萄紧贴着放在里面，把微波炉关上，开始点燃。这样的操作，并不需要火石，cn171-11 救助队以及苏拉威西请参考一下这篇文章，谢谢。
参考文献：
[1] Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, and Aaron D. Slepkov, Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers , PNAS. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1818350116
[2] Caldarola, Martín, Albella P , Cortés, Emiliano, et al. Non-plasmonic nanoantennas for surface enhanced spectroscopies with ultra-low heat conversion[J]. Nature Communications, 2015, 6:7915.
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