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现实世界真有接近“飞刃”的材料?

2023-02-27 中科院物理所 阅读:
让我们把目光集中到关于纳米技术的部分,尤其是电视剧高潮的“古筝行动”。其中有哪些细节值得科学地审视?又有哪些实际的科研工作与之相关?让我们一起听听专家老师的解读。
 

了解了幕后细节,让我们把目光集中到关于纳米技术的部分,尤其是电视剧高潮的“古筝行动”。其中有哪些细节值得科学地审视?又有哪些实际的科研工作与之相关?让我们一起听听专家老师的解读。bTyednc

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“飞刃”能实现么?bTyednc

Q:剧中高潮部分“古筝行动”中,“飞刃”究竟能否切开巨轮?bTyednc

李世亮:用特别细的丝去切东西,这个思路原来影视剧就是有的。bTyednc

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《三体》电视剧“古筝行动”画面bTyednc

魏红祥:但是这里面有一个坑,就是碳纳米管等材料制成的“飞刃”虽然强度应该足够,但是也很细,切过去之后,是不是真的切断了呢?比如你拿两块金属,给它抛光,然后把它们压在一起。一段时间之后你就掰不开了,因为原子跟原子之间的相互作用表现出来了,所以说如果切得很平很薄的时候,实际上丝过去了之后,原子可能又重新愈合了。bTyednc

梁文杰:另外关于船上的人,人的细胞是几百微米的,然后它表面的细胞膜实际上是磷脂双分子层,就跟我们肥皂的肥皂泡一样,实际上是个流体的。你切过去,细胞膜不就又回去了?所以如果线太细的话就可能切不了。bTyednc

细胞膜示意图bTyednc

管子卿:原著中其实对纳米丝的描写是头发丝的1/10粗。其实不是很细了。有没有可能我们把那个纳米丝做成楔形的:一开始接触到船的一端是一根纳米管,到了楔形的末端才变成了微米级?bTyednc

梁文杰:那也需要张角比较小,而且真正把它排列成楔形在工程技术上是有难度的bTyednc

李世亮:其实还有一个问题,就是你在切的时候是在破坏化学键,其实就在产生热量。局域的这个热量会越来越高。当然摩擦角度的话也是会生热。bTyednc

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扫描隧道显微镜下的碳纳米管bTyednc

梁文杰:可能会引入缺陷,最后使得会纳米丝断掉。bTyednc

魏红祥:把很多根碳纳米管捆成一束的话,有可能解决这个问题。bTyednc

Q:假设“飞刃”是用碳纳米管制作的,一个主要困难就是合成数百米长度的高质量的碳纳米管。为什么很难长出宏观量级的碳纳米管?bTyednc

梁文杰:这个难度主要在哪?因为它的直径只有一个纳米,你想想一个东西只有一个纳米粗,然后你要长一米长,这中间有九个数量级的差别。你平时搭积木,搭1 : 10可能积木就塌了,差九个数量级,相当于一个一米粗的柱子要十亿米长!然后这十亿米一定都是单晶,没有一个缺陷。bTyednc

所以说它要求生长条件特别特别稳定。一般来说我们用的都是气相生长。气相的环境下,它怎么可能那么稳定?气流就一点不受扰动?生长过程中万一供碳的速率有一点不一样了,或者某个非常局域的地方温度稍有点扰动,都可能引入缺陷,甚至可能就终止生长了。bTyednc

催化剂诱导碳纳米管生长示意 | 源自[1]bTyednc

魏红祥:一定有困难,因为碳纳米管跟世亮老师做的那个室温超导是一回事儿,就是这里面一定得有巨大的障碍。它们的共性是性能太优越了,出来之后对我们现在的世界改变太大,所以一定有难度。bTyednc

但是还得有乐观的态度。我们现在用的这个硅片,你看那个12英寸的硅片长这么大了,它的缺陷就非常少,这种纯度你要放到十年前我都觉得这是不可能。所以其实是工艺问题。只要有市场,他总能做出来的。bTyednc

单晶硅bTyednc

Q:如果充分发挥想象力,有没有哪些新奇的思路可以有助于实现“飞刃”?bTyednc

梁文杰:刚刚我讲了生长的困难在于气流不稳定和温度不稳定。为了控制它的生长点稳定,我的设想是用光镊的方法。如果有激光进去,一排激光在焦点上面,它的催化剂就会悬浮在空中,这时候通过特殊的气流控制方式通入碳原子气流,开始稳定地生长。然后边生长里边还有个滚子用于不断收集长出的纳米管。这样的稳定性可能会好一点。bTyednc

梁文杰老师光镊方法示意手稿bTyednc

魏红祥:这个一听就是纳米实验室的方案,太复杂了。我们长薄膜的时候,都是用磁控溅射之类的方法,相当于拿泥往墙上甩。为了让最后的结果跟砖一样有规律就得用那种类似退火的方式,让它自己去弛豫,也就是让它自己去找最佳的状态。缺陷一定要靠它自己挤出去。bTyednc

磁控溅射原理示意bTyednc

林育智:清华大学张莹莹老师他们做了一件更疯狂的事情。他们养蚕,把碳纳米管喷在那个桑叶上,然后让蚕宝宝把这东西吃掉后发现蚕宝宝吐出来那个丝拥有不可思议的各种物理性能,比如不仅有超强的韧性,而且还能导电、有极强的柔性。当然了后面需要考虑生物伦理的问题。bTyednc

蚕宝宝吐出“超强”丝报道示意 | 源自[2]bTyednc

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有了“飞刃”之后呢?bTyednc

Q:即使解决了宏观量级纳米丝的制作工艺,要如何把如此锋利的纳米丝固定在柱子上?bTyednc

梁文杰:我当初的想法是通过不断扩束最后直接变成片状了。bTyednc

梁文杰老师对于“飞刃”固定方法示意手稿bTyednc

实际上我当年(在哈佛)看它们生长的时候,他们想长一纳米粗就能长一纳米,想长十纳米粗就长十纳米,20纳米粗的也有,但是20纳米粗的时候自己就塌了。塌了实际上挺好的,直接变成片状了,可以方便固定在柱子上。bTyednc

扩束后缠绕固定方法示意bTyednc

Q:要如何控制碳纳米管的生长直径呢?bTyednc

梁文杰:这个直径主要是由催化剂的大小决定的。催化剂比如铁、镍、金之类的,它的纳米颗粒有多大,就能够出来相应粗细的纳米管。生长机理本身是一个气液固的相变。一开始碳蒸气进来被铁吸附,然后吸附的碳蒸汽过饱和之后,从催化剂后面就像蚕吐丝一样就吐出来了。bTyednc

不等径碳纳米管引入非六元环示意 | 源自[3]bTyednc

当然,联系上面说的扩束的问题。扩束实际上是会引入缺陷的。因为扩束时六圆环就会变成五元环、七元环或其他元环,这就会引入缺陷。如果这个地方有应力集中,纳米丝就会在这个地方崩断。bTyednc

碳纳米管Stone-Wales 5-7-7-5变形示意 | 源自[4]bTyednc

Q:纳米丝如此纤细,在固定和拉直的过程中如何看到纳米丝?bTyednc

梁文杰:可以用荧光方法实现。bTyednc

林育智:是的,剧组最后采用了,那是汪淼的一句台词,提到用荧光蛋白(附着在纳米丝上),荧光蛋白就是梁老师现场告诉剧组的。bTyednc

梁文杰:然后用特定波长的光照射就可以看到荧光了。bTyednc

荧光蛋白修饰的纳米丝 | 源自[5]bTyednc

Q:使用纳米丝时,需要其在接触空气或水的条件下,其化学或者机械稳定性如何?bTyednc

梁文杰:水不会有什么影响,但是氧气可能会对其有影响,当然也要看条件。一般碳纳米管生长的温度在1000多度,800度在没有氧气的环境下,它是非常稳定的,800度你怎么烧这个结构不会坏。毕竟碳碳键也是组成金刚石的键,可以说是自然界中最强的键之一了。bTyednc

梁文杰:但是摩擦可能是另外一件事情,一方面是生热,而另一方面切巨轮就相当于让纳米丝去切割多根钢丝,一根两根可以切断,但是在短时间连续切断10万根,总会有机会在纳米线上引入缺陷,最后会断掉。bTyednc

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一些延伸的思考bTyednc

Q:我们多次提到纳米,但是似乎很多单位都在做纳米学的研究,如何正确看待“纳米学”这个词?bTyednc

魏红祥:汪淼反复讲自己是做纳米的,借机会给大家解除一个误解。好像一般认为做纳米的就是做纳米线、纳米管。但纳米是个尺度,只要在这个尺度里面都算纳米学的范畴,它的研究的范围非常广泛。除了国家纳米中心,我们物理所也有纳米实验室。bTyednc

国家纳米科学中心bTyednc

Q:纳米这种比较基础的科研直观上会与应用有一定距离,能否借机会谈一谈基础科学与应用科学的关系?bTyednc

李世亮:从基础科学的视角来看,更希望能做出从零到一的东西,这种研究的重要之处是能够把大家脑子的思路打开,让大家看到可能性,这是最重要的。然后再往上做得规模更大、性能更好等更多是技术上的事情。bTyednc

谢思深院士团队毫米级纳米管合成报道bTyednc

魏红祥:比如上图物理所解院士在九六年的这个工作,这里大概是两个毫米长的碳纳米管,相当于纵横比达到了十的六次方。这其实就让宏观量级碳纳米管的合成看到了希望。这就有基础工作的意味,它让你知道某件事情是肯定可行的,后面走向应用更多是工艺问题了。bTyednc

谢思深院士等2022年工作报道 | 源自[6]bTyednc

Q:纳米科学还有一个明星体系“魔角石墨烯”,中为什么“魔角”这个概念如此热门?bTyednc

李世亮:你把它转一个角度之后,晶格就会变大,这时候周期就不一样了。科普一下,我们做凝态物理的最重要的点就是所谓的对称性,那么刚才我们讲材料或者原子的排布,不同的排布就有不同的对称性,它就有不同的性质。“魔角”实际上改变了它的对称性和周期。bTyednc

魔角石墨烯(右)示意bTyednc

更进一步的话,其实很多性质是超越这个对称性的。对称性本来已经成为我们凝聚态物理的基石了,但是现在我们有一部分科学家又想跳开这个基石。他们想要发现不由对称性来决定的物理性质,也就是所谓的拓扑的东西。bTyednc

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你可能没有注意的剧中细节bTyednc

Q:国家纳米实验室室内场景为何是昏黄的?bTyednc

梁文杰:因为制备纳米材料时一些材料是光敏的,要进行光刻。那些东西在白光下自己就曝光。就像汪淼一开始在暗室里边洗照片一样,为什么暗室里边有红光,因为红光灯不会显著分解光刻胶。实验室里光敏材料在黄光下不会分解,所以灯光是昏黄的。bTyednc

电视剧中汪淼实验室画面bTyednc

Q:图中的仪器是什么?bTyednc

梁文杰:这是一个普通的台阶仪。就用于量高度还有表面粗糙度。bTyednc

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电视剧中台阶仪使用画面bTyednc

魏红祥:这个台阶仪的本身的精度可以到微米吧。对于碳纳米管单根的它是测不出来的。bTyednc

李世亮:测单根碳纳米管还得原子力显微镜(AFM)或者和扫描隧道显微镜(STM)这种。bTyednc

Q:汪淼背后投影的文献竟真有出处!bTyednc

梁文杰:这个背景的文章是清华大学魏飞老师团队2013年的文章,这篇文章也是我找到然后给剧组的。虽然我2013年已经不在长超长纳米管这个领域当中,但我还是非常关心这个事情。他就是把一个温区稳定,这个恒定温区跟着炉子一块走,边长边走,最后实现了半米级碳纳米管的合成。bTyednc

电视剧中汪淼身后PPT及实际论文 | 源自[7]bTyednc

参考文献bTyednc

[1] Yang F, Wang X, Zhang D, et al. Growing zigzag (16, 0) carbon nanotubes with structure-defined catalysts[J]. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(27): 8688-8691.bTyednc

[2] 蚕宝宝吃了石墨烯之后吐出了“超强”丝bTyednc

[3] Li W, Wang W, Zheng X, et al. Molecular dynamics simulations of water flow enhancement in carbon nanochannels[J]. Computational Materials Science, 2017, 136: 60-66.bTyednc

[4] 材料力学性能课程课件. 南开大学bTyednc

[5] Bai, Y., Zhang, R., Ye, X. et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa[J]. Nature Nanotech 13, 589–595 (2018).bTyednc

[6] Zhang X, De Volder M, Zhou W, et al. Simultaneously enhanced tenacity, rupture work, and thermal conductivity of carbon nanotube fibers by raising effective tube portion[J]. Science Advances, 2022, 8(50): eabq3515.bTyednc

[7] Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161.bTyednc

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