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现实里真的有三体“古筝计划”那样强悍的纳米丝么?

2022-12-12 中科院物理所 阅读:
纳米丝是什么?是什么决定了纳米丝的独特性?纳米丝真的能实现“无差别切割”么?

遥闻水面汽笛阵阵,T9nednc

便有巨轮破浪而来,T9nednc

其高数丈。T9nednc

忽有丝弦绷紧声,T9nednc

继而桅杆崩倒,船体破碎。T9nednc

又一钢柱断折,巨响隆隆。T9nednc

当是时,T9nednc

船员呼喊声,阵阵哭声,T9nednc

惊鸟啼鸣声,钢铁撞击声,T9nednc

滔滔江水声,T9nednc

一时齐发,震撼天地!T9nednc

图1 《三体》动画截图T9nednc

这便是《三体》中令人难忘的“古筝计划”的画面,也有幸成为了动画的开头。这曲骇人的曲子正是由角色汪淼研制的特殊纳米丝奏响的。看到这里,小编不禁陷入沉思:纳米丝是什么?是什么决定了纳米丝的独特性?纳米丝真的能实现“无差别切割”么?T9nednc

Part 1:纳米丝=很细的丝?T9nednc

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近年来,“纳米”这个词不仅是科研报道中的常客,还是逐渐让大家耳熟能详的“高科技代名词”。也许在很多非相关领域的人们看来,纳米只是简单地和“特别小”画等号。比如纳米颗粒就是“很小的颗粒”,纳米管就是“很细的管”,纳米孔就是“很微小的孔”。没错,这样的理解道出了最为直观的表象,但是忽略了真正引起科学家们感兴趣的本质——纳米效应T9nednc

图2 某种金纳米颗粒的图示及显微照片T9nednc

然而,在具体地讲述纳米尺寸效应是什么之前,必须尝试将大家带到微观世界去,看看这个世界究竟和我们熟悉的世界有何不同。一般情况下,一个“原子级”或者“电子级”的认识就足以帮助我们理解材料世界很多的现象了。在这种认识里,我们宏观所看到的物质在微观上就是由各种原子核以及其核外电子构成的。而必须同时认识到的一点是:原子核之间、电子之间、原子核与电子之间都存在着相互作用,也就是我们常说的“作用力”(其中起主要作用的是电磁力万有引力一般较小可忽略)。T9nednc

图3 微观体系的概念图T9nednc

虽然本质上都是电磁力,但是人们抽象出了一些不同的情况,并逐一赋予了新的标签。(1)有时候,部分电子很大概率待在两个原子核中间的区域,看上去像是被两个核共有,这种情况称为共价键;(2)有时候,部分电子明显倾向于“守候”在一个核周围,而远离另一个,这种情况称为离子键;(3)有时候,部分电子几乎自由地在成千上万的核周围游走,似乎核“浸泡”在电子组成的海洋中,这种情况称为金属键T9nednc

图4 共价键、离子键与金属键的形成示意T9nednc

上述三种键统称“化学键”,其强度都是较强的,换句话说就是不容易打破这样的状态。当我们把所有以化学键(一般指“共价键”或者“离子键”)连接的两个原子归纳到一个集体里,这个集体包含的所有原子就统称为一个“分子”。但是有些时候,材料内部的每个原子都以化学键与周围的原子相连,这样所有原子共同组成了一个“分子”,于是称为“巨分子”。对于晶体而言,不是“巨分子”的一般称为“分子晶体”(如冰、干冰),是巨分子的依据成键类型的不同分为“原子晶体”(如金刚石)、“离子晶体”(如NaCl晶体)和“金属晶体”(如铜、银)。T9nednc

图5 NaCl与金刚石晶胞示意 | 图片源自[6][7]T9nednc

于是,化学键自然而然地可以近似认为是“分子内作用”(分子内氢键的特殊情况除外)。那有了分子内作用,当然会有分子间作用,包括范德华力和分子间氢键。不究细节地讲,我们可以认为分子间作用是一种显著比化学键更微弱的作用力。因此分子组成的物质内部会以分子为一个集体运动,分子本身不容易解体。T9nednc

图6 冰和干冰中,水分子间与二氧化碳分子间分别存在氢键和范德华力T9nednc

有了这样的图像后,我们就可以介绍究竟“多小”才属于纳米尺度。按照定义,一般把某一个维度上尺寸在1-100nm称为纳米尺度,而化学键连接的两个原子的间距一般是0.1-0.2nm。一个包含十几个或者几十个原子的分子的尺寸大概是1nm或者几个nm。这样来看的话,纳米尺寸大概可以理解为“一个到几个分子的尺寸”,或者“几个到几十个原子并肩排好的长度”。在后面的部分,我们将逐渐意识到这样看似“废话”的描述是多么重要!T9nednc

图7 某纳米线的原子结构 | 图片源自[8]T9nednc

于是,我们往往将在三个两个以及一个维度上属于纳米尺寸的材料分别称为纳米球纳米线/丝(实心)、纳米管(管状)或纳米带(带状)以及纳米片,统称纳米材料。碳材料中,我们常说的C60碳纳米管石墨烯就是纳米球、纳米管以及纳米片的例子。这三种材料还依次被称为零维材料一维材料二维材料T9nednc

图8 不同维度的碳材料:石墨烯(左上)、金刚石(右上)、C60(左下)及碳纳米管(右下) | 图片源自[9]T9nednc

讲到这里有人会问:那么,纳米丝不就是很细的丝么?是的,但不尽然。T9nednc

Part 2:纳米效应T9nednc

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在谈及纳米尺寸效应时,我们要算一笔账:一个块体材料究竟有多少比例的原子在表面?一般认为,材料最外层几纳米(假定取5nm)的范围属于表面。对于一个1cm直径的小铜球,表面原子占比大概是0.0001%,但是对于一个直径为100nm甚至10nm的铜纳米颗粒,这个比例分别是27.1%和100%T9nednc

图9 纳米颗粒表面的悬键T9nednc

这意味着什么?刚刚我们提到过化学键是很强的作用,这意味着一旦某个原子在各个方向上都成了化学键,这个原子就仿佛被“捆”住,无法随意移动。但是表面上的原子是部分暴露的,自然成的化学键数量比内部要少,因此相对“自由”,很活泼。这意味着表面原子与内部原子性质不同。因此,当表面原子占比不同时,就具有了截然不同的性质。而通过计算我们不难发现,在具有纳米尺度的维度上,表面占比不再可以忽略,且随着尺寸进一步减小,这个占比会显著提高甚至达到100%!T9nednc

图10 表面原子占比示意 | 图片源自[10]T9nednc

之所以一定要强调纳米尺寸对应着多少分子、多少原子,就是因为纳米尺寸效应的本质与键合有关。而这种微观的作用反映的是相邻原子之间或者分子之间的事情,必然在分子、原子可数的尺寸上才变得重要。当然,纳米效应不仅表面效应一种。当尺寸小于光波长、德布罗意波长、超导态相干长度等时会产生小尺寸效应;由于能级不再连续而是分立会导致量子尺寸效应;此外在电子元件中还会出现米隧道效应等。T9nednc

对于纳米丝,其除了在长度的维度上是宏观的,另两个维度都是微观的,这必然导致其具有不可忽略的表面占比。那么,这对于其机械强度有什么影响呢?以及除了表面的影响,还有什么因素决定了纳米丝的特殊性呢?T9nednc

Part 3:线是如何被拉断的?T9nednc

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在交代纳米丝的特殊性之前,我们首先从这个侧面入手介绍一点关于材料力学的背景知识。笼统地讲,一根线被拉断之前可能会有几个阶段:弹性形变阶段、塑性形变阶段、最终断裂阶段。其微观机制是不同的。T9nednc

当一根线受到牵拉时,其内部平行于线的方向上相邻的原子会受到相反方向的力,这对力试图把这两个原子分开。然而在前面介绍过,相邻原子间存在着化学键,其本质为电磁力。当原子离开平衡位置时,电磁力会显著地抵抗外界的拉力,仿佛是这两个原子间有一根弹簧。如果此时撤去拉力,原子还会在电磁力的作用下回到原来的平衡位置,宏观上表现为线回到了原始长度。因此将这样的可以恢复的形变称为弹性形变T9nednc

图11 电磁力与拉力对抗T9nednc

与之不同的是,塑性形变是不可恢复的,因为其微观机制不再是简单的化学键的拉伸。而是涉及到原子相对位置的改变。塑性形变主要包括滑移和孪晶。这里只介绍相对简单的滑移。顾名思义就是晶体的部分原子沿着某个面整体滑动。这种现象一般只发生在金属中,因为金属键是原子核“浸泡”在电子的海洋中,所以当原子核整体滑离原有位置时,弥散的电子依然能提供足够的电磁力,就像是涂了胶水一样。这种发生塑性形变而不破坏的性质被称为延展性。金属也因此被称为延性材料T9nednc

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图12 滑移与孪晶示意 | 图片源自[4]T9nednc

图13 金属钉表现出的延展性T9nednc

对于共价形式的晶体比如金刚石,如果原子这样整体滑动,那么离开原有位置的一瞬间所有的键都会断裂,材料就会整体断裂。这种几乎无法发生塑性形变的材料被称为脆性材料。T9nednc

图14 金刚石被压碎瞬间T9nednc

当然,还有一种材料可以发生很大程度的弹性形变,比如橡胶。他们的内部一般有蜷曲的长链分子。当受到牵拉时,分子链段展开伸直过程中的分子间作用会作为与外部拉力相抗衡的力。这种材料虽然也没有明显的塑性形变,但是弹性形变的行为很突出,一般称为弹性材料T9nednc

图15 拉伸弹弓过程中橡皮筋经历弹性形变T9nednc

对于一根几乎没有弹性以及延展性的一般(非纳米尺度)丝线,我们如果想将其扯断,就是要直接破坏掉截面上所有的化学键。这看上去是很困难的。但是实际的测量中,发现真实情况下丝线比理论的预言要脆弱成百上千倍!究其根源,就是在宏观级别的丝线中,几乎必然存在缺陷,比如小裂纹。而一旦拉扯这样存在有裂纹的线,截面上的压力将不再由所有的原子共同承担,而是很大程度集中在裂纹的边缘T9nednc

图16 缺陷带来的应力集中示意T9nednc

然而纳米丝可能实现基本无缺陷,因此其强度有可能接近理论的预言值,这便是纳米丝的一个重要的力学特性。此外,前面提到了纳米丝具有较高的表面原子占比。而表面原子间的间距以及作用是不同于内部的,在某些情况下表面层的强度是高于内部原子的。这就为纳米丝整体的力学性能提升提供了新的维度。当然,真实的情况还会更复杂些,因为纳米丝的表面还可能吸附其他分子,比如水分子。这些分子也可能会影响表面层的强度。T9nednc

Part 4:“飞刃”能实现么?T9nednc

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诚然,《三体》中描述的“飞刃”是在现实中还无法实现的,所以这个问题的答案还是未知的。但是这并不意味着我们不能给出一些合理的思考角度,增进我们对于类似技术实现的认识。T9nednc

图17 《我的三体》视频截图T9nednc

首先就是关于材料力学性能衡量的维度。在前面的一个部分,我们仅仅围绕的是沿着丝线拉伸的维度。然而回想在动画中的场景,我们发现纳米丝经受的是更为复杂的考验。首先船是从纳米线的侧面撞过来的,且船的宽度小于线的长度。这意味着丝线主要是中间部分受到了垂直于线的力,即弯曲的作用。T9nednc

图18 纳米丝弯曲受力T9nednc

实际上,除了拉伸和弯曲,材料还可能受力的方式有压缩、剪切、扭转等。T9nednc

图19 压缩、剪切与扭转示意 | 图片源自[4]T9nednc

此外,丝线受到的并不是单次的作用,而是在不断切割不同部件时多次的受力。因此纳米线会交替的张紧、松弛、再张紧、再松弛……这反应的是纳米丝抗疲劳的属性。一般情况下,材料在多次受力后性能会有所衰减,即出现了疲劳。T9nednc

图20 金属多次弯折后疲劳断裂T9nednc

作为补充,船体这种金属材质毕竟本身有较高的硬度,即使丝线可以割穿金属,金属也会对其表面形成磨损。这种磨损很可能会带来致命的缺陷。切割如此庞大的轮船,要求纳米丝经受长时间的磨损而依然具有较好的强度,这是十分苛刻的要求。T9nednc

图21 磨损示意 | 图片源自[11]T9nednc

另一个挑战其实在于长度,这是材料制备技术的层面。前面曾经提及过,宏观尺寸的材料之所以强度远低于理论值就是由于存在缺陷,而制备宏观尺度想保证没有任何缺陷又是基本不可能的。对于纳米丝而言,虽然在截面上是纳米尺度,但是能否实现在150m长度上没有任何缺陷也是一种挑战。T9nednc

图21 子弹击穿物体T9nednc

关于纳米丝太细会不会切开材料又愈合,小编认为是不用担心的。因为丝线在切割时就犹如子弹在击穿物体,其中伴随着能量的释放。包括着动能导致的碰撞以及摩擦产生的热等。这些能量的释放会对于断面处产生不可逆的损伤。尤其是宏观级别上整体的割断,要想愈合基本是不可能的。类似的比如放射线虽然尺寸上很小但是蕴含较高的能量,依旧可以破坏DNA等大分子等结构。T9nednc

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图22  《三体》动画“飞刃”张紧瞬间截图T9nednc

此外书中的描述是纳米丝是“头发的十分之一”粗细,这对应的是几个微米的量级,很可能是多个纳米级别的丝线结成束形成的。其直径比原子间距大几个数量级。这样的“刀刃”其实是“钝刀”,很难留下齐整的切口再允许两侧的结构愈合。T9nednc

至于“飞刃”的技术能否实现?就让时间给我们答案吧……T9nednc

参考资料:T9nednc

[1] Wang S , Shan Z , Huang H . The Mechanical Properties of Nanowires[J]. Current Sustainable/Renewable Energy Reports, 2017(4):4T9nednc

[2] 关振铎, 张中太, 焦金生. 无机材料物理性能[M]. 清华大学出版社, 2011.T9nednc

[3]《材料力学性能》课程课件. 刘俊庆T9nednc

[4]《材料物理》课程课件. 王丹红T9nednc

[5]冰为什么比水轻?T9nednc

[6]钻石 - 维基百科,自由的百科全书T9nednc

[7]《结构化学》课件. 孙宏伟T9nednc

[8] Fang F, Zhang N, Guo D, et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2019, 1(1): 012001.T9nednc

[9]RISE电镜拉曼一体化系统:碳材料和二维材料分析解决方案T9nednc

[10]纳米材料的基本效应有哪些?- 知乎 (zhihu.com)T9nednc

[11]材料的磨损性能详解 - 知乎 (zhihu.com)T9nednc

责编:Ricardo
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