从动画到现实，“强悍”的纳米丝

原标题:《三体动画其实是从古筝项目开始的真的有这么强大的纳米线吗

闻闻水上的汽笛声，

有一艘巨轮破浪前进，

它的高度很高。

突然传来一阵紧张的弦乐声，

然后桅杆塌了，船体破了。

又一根钢柱断了，响声隆隆。

当它是，

船员们哭喊着，阵阵哭喊，

鸟儿啼叫，钢铁撞击，

河水的声音，

同时震惊了世界！

图1《三体》动画截图

这是《三体》中古筝项目令人难忘的画面，也有幸成为动画的开端这种可怕的曲调是由角色王淼开发的特殊纳米线演奏的看到这里，边肖不禁陷入了沉思:什么是纳米线是什么决定了纳米线的独特性纳米线真的能做到无差别切割吗

第1部分:纳米线=非常细的线。

最近几年来，纳米这个词不仅是科研报告中的常客，也是逐渐被大家所熟悉的高科技的代名词也许在很多不相关领域的人眼里，nano简直等于极小例如，纳米粒子是非常小的粒子，纳米管是非常细的管子，纳米孔是非常微小的孔是的，这种认识讲了最直观的表象，却忽略了真正让科学家感兴趣的本质——纳米效应

一些金纳米颗粒的图示和显微照片。

但是，在详细讲述什么是纳米尺度效应之前，我们必须试着把大家带到微观世界，看看这个世界和我们熟悉的世界有什么不同一般一个原子级或者电子级的理解，就足以帮助我们理解物质世界的很多现象在这种理解下，我们宏观上看到的是微观上由各种原子核及其核外电子组成的同时要认识到，原子核，电子，原子核和电子之间都存在相互作用，也就是我们常说的作用力

图3微观系统概念图

虽然本质上都是电磁力，但人们把一些不同的情况抽象出来，一一赋予新的标签有时候，有很大的概率，一些电子停留在两个原子核之间的区域，看起来好像是两个原子核共有的这种情况叫做共价键有时，一些电子明显倾向于等待在一个原子核周围，远离另一个原子核，这种情况称为离子键，有时，一些电子几乎自由地在成千上万个原子核周围游走，似乎原子核都浸泡在电子的海洋中这种情况叫做金属结合

图4共价键，离子键和金属键形成示意图

以上三种键统称为化学键，它们的强度很强，换句话说，不容易打破这样的状态当我们把所有两个通过化学键相连的原子放入一个集体中，这个集体中包含的所有原子统称为一个分子但有时，材料中的每个原子都通过化学键与周围的原子相连，这样所有的原子一起形成了一个分子，这种分子被称为大分子至于晶体，不是大分子的一般称为分子晶体，但大分子按其成键类型可分为原子晶体，离子晶体，金属晶体

因此，化学键自然可以近似认为是分子内作用有了分子内相互作用，当然也会有分子间相互作用，包括范德华力和分子间氢键不细说，我们可以认为分子间相互作用是一种明显弱于化学键的力所以由分子组成的物质会作为一个集体运动，分子本身不容易解体

图6在冰和干冰中，水分子和二氧化碳分子之间分别存在氢键和范德华力。

有了这样一个图像，就可以介绍属于纳米尺度的有多小了根据定义，某一维度中1—100nm的尺度一般称为纳米尺度，而化学键连接的两个原子之间的距离一般为0.1—0.2nm，一个包含十几个或几十个原子的分子的大小约为1nm或几nm这样，纳米尺寸就可以理解为一个到几个分子的大小或者几个到几十个原子并排排列的长度

因此，我们常常将三维，二维和一维的纳米尺度的材料称为纳米球，纳米线/细丝，纳米管或纳米带和纳米片，统称为纳米材料在碳材料中，C60，碳纳米管和石墨烯是纳米球，纳米管和纳米片的例子这三种材料又依次称为零维材料，一维材料和二维材料

说到这，有人会问:那么，纳米线不就是很细的线吗是的，但不完全是

第二部分:纳米效应

说到纳米尺寸效应，我们得算一笔账:一块块体材料的表面有多少个原子一般来说，材料的最外层属于几纳米以内的表面对于直径为1cm的小铜球，表面原子的比例约为0.0001%，但对于直径为100nm甚至10nm的铜纳米粒子，比例分别为27.1%和100%

图9纳米粒子表面的悬挂键

这是什么意思我们刚才提到化学键是非常强大的，也就是说一旦一个原子变成了各个方向的化学键，这个原子就好像被束缚了一样，不能随意移动而表面的原子部分暴露在外，自然化学键的数量比内部少，所以相对自由活泼这意味着表面原子的性质不同于内部原子的性质所以当表面原子比例不同时，就有完全不同的性质

之所以一定要强调纳米尺寸对应多少分子原子，是因为纳米尺寸效应的本质与成键有关而这种微观作用反映的是相邻原子或分子之间的东西，所以它在分子和原子的可数大小中必然变得重要当然，纳米效应不仅仅是表面效应当尺寸小于光波长，德布罗意波长，超导态的相干长度等时，就会产生小尺寸效应因为能级不再连续而是离散的，会导致量子尺寸效应，此外，电子元器件也会出现纳米隧道效应

对于纳米线来说，除了长度维度，其他两个维度都是微观的，这就不可避免的导致了不能忽略的表面积比那么，这对它的机械强度有什么影响呢除了表面的影响，还有哪些因素决定了纳米线的特殊性

第三部分:线是怎么断的。

在解释纳米线的特殊性之前，我们先从这方面介绍一些材料力学的背景知识一般来说，螺纹断裂前可能有几个阶段:弹性变形阶段，塑性变形阶段和最终断裂阶段它的微观机制是不同的

当拉动一根线时，平行于线的方向上的相邻原子将受到相反方向的力，这些力试图将两个原子分开但是，如前所述，相邻原子之间存在化学键，其本质是电磁力当一个原子离开平衡位置时，电磁力会明显抵抗外部拉力，就好像两个原子之间有弹簧一样如果此时去掉拉力，原子会在电磁力的作用下回到原来的平衡位置，说明线宏观上又回到原来的长度了因此，这种可恢复的变形称为弹性变形

图11电磁力对抗拉力

相比之下，塑性变形是不可逆的，因为其微观机制不再是简单的化学键拉伸而是涉及到原子相对位置的变化塑性变形主要包括滑移和孪晶这里只介绍相对简单的卡瓦顾名思义，晶体的一些原子沿着某个表面滑动一般这种现象只发生在金属中，因为金属键是原子核泡在电子的海洋中，所以当原子核整体滑离原来的位置时，分散的电子仍然可以提供足够的电磁力，就像胶水一样这种塑性变形而不损坏的特性叫做延展性因此，金属也被称为韧性材料

图13金属钉的延展性

对于一个共价晶体，比如钻石，如果原子整体滑动，在离开原来位置的那一刻所有的键都会断裂，材料整体断裂这种几乎不能发生塑性变形的材料称为脆性材料

图14钻石被压碎的瞬间

当然还有一种材料可以很大程度的弹性变形，比如橡胶它们内部通常有卷曲的长链分子当受到拉力时，分子链段在展开和拉直过程中的分子间作用会作为一个力来对抗外界的拉力这种材料虽然没有明显的塑性变形，但其弹性变形行为非常突出，一般称为弹性材料

图15弹弓拉伸时橡皮筋的弹性变形。

对于一根很少有弹性和延展性的普通丝线来说，如果我们想把它弄断，就直接把横截面上的化学键全部破坏掉这个好像很难但是在实际测量中发现，丝线比理论预测的要脆弱上百倍！根本原因是宏观的丝线中几乎都存在一定的缺陷，比如小裂纹这样的裂纹线一旦被拉动，截面上的压力将不再由所有原子分担，而是很大程度上集中在裂纹边缘

图16缺陷引起的应力集中示意图

但是，纳米线可能基本上没有缺陷，因此其强度可能接近理论的预测值，这是纳米线的重要机械性能此外，如前所述，纳米线具有高的表面原子比可是，表面原子之间的距离和功能与内部原子不同，在某些情况下，表面层的强度高于内部原子这为从整体上改善纳米线的机械性能提供了一个新的维度当然，真实情况会更复杂，因为纳米线表面还可能吸附其他分子，比如水分子这些分子也会影响表面层的强度

第四部:《飞刃》能实现吗。

诚然，《三体》中描述的飞刃在现实中无法实现，所以这个问题的答案还是未知数但这并不意味着我们不能给出一些合理的思考角度来增强对类似技术实现的理解

图17《我的三体》视频截图

首先是衡量材料力学性能的维度在前面的部分中，我们只关注沿着丝线延伸的维度可是，回顾动画中的场景，我们发现纳米线受到了更复杂的测试首先，船是从纳米线的侧面撞过来的，船的宽度小于纳米线的长度这意味着丝线的中间部分受到一个垂直于丝线的力，即弯曲

图18纳米线的弯曲力

实际上，除了拉伸和弯曲之外，材料还可能受到压缩，剪切，扭转等作用。

此外，丝线并不是受到单一的作用，而是在连续切割不同部分的同时受到多种力的作用因此，纳米线会被交替地拉伸，松弛，再拉伸和再松弛这反映了纳米线的抗疲劳特性一般情况下，材料在多次受力后性能会衰减，即出现疲劳

图20多次弯曲后金属的疲劳断裂

作为补充，船体本身的金属材料毕竟硬度高，即使丝线能切穿金属，金属也会磨损其表面这种磨损很可能带来致命的缺陷切割如此巨大的船，需要纳米线能够承受长期磨损，并且仍然具有良好的强度，这是一个非常苛刻的要求

另一个挑战其实是长度，这是材料制备技术的水平如前所述，宏观尺寸材料的强度远低于理论值的原因是由于缺陷，基本上不可能制备出没有任何缺陷的宏观尺寸材料对于纳米线来说，虽然横截面是纳米级的，但要实现150m的长度而没有任何缺陷也是一个挑战

图21子弹穿透物体

对于纳米线是否太细而无法切割材料和愈合，边肖认为没有必要担心因为丝线在切割时就像子弹穿透物体一样，伴伴随着能量的释放包括动能引起的碰撞和摩擦产生的热量这些能量的释放会对横截面造成不可逆的损伤尤其是宏观层面，基本上不可能全切痊愈比如，辐射虽然体积小，但含有高能量，仍然可以破坏DNA等大分子的结构

图22《三体》动画《飞刀》张力瞬间截图

另外，书中的描述是，纳米线是头发丝粗细的十分之一，对应几微米的量级，大概是由多根纳米大小的线聚束而成它的直径比原子间距大几个数量级这样的刀片实际上是一把钝刀，在让两边的结构愈合之前，很难留下整齐的切口

飞刃的技术能实现吗。让时间给我们答案...

参考资料:

王生，单志，黄宏纳米线的力学性能

关振铎，张中泰，焦金生无机材料的物理性质清华大学出版社，2011

材料力学性能课件。刘俊卿

材料物理课件。王丹红

为什么冰比水轻。

钻石—维基百科，自由的百科全书

结构化学课件。孙宏伟

方芳，张宁，郭丹，等面向原子和近原子尺度的制造国际极限制造杂志，2019，1: 012001

RISE电子显微镜拉曼集成系统:碳材料和2D材料的分析解决方案

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