原標題:《三體動畫其實是從古箏項目開始的真的有這么強大的納米線嗎

聞聞水上的汽笛聲，

有一艘巨輪破浪前進，

它的高度很高。

突然傳來一陣緊張的弦樂聲，

然后桅桿塌了，船體破了。

又一根鋼柱斷了，響聲隆隆。

當它是，

船員們哭喊著，陣陣哭喊，

鳥兒啼叫，鋼鐵撞擊，

河水的聲音，

同時震驚了世界！

圖1《三體》動畫截圖

這是《三體》中古箏項目令人難忘的畫面，也有幸成為動畫的開端這種可怕的曲調是由角色王淼開發的特殊納米線演奏的看到這里，邊肖不禁陷入了沉思:什么是納米線是什么決定了納米線的獨特性納米線真的能做到無差別切割嗎

第1部分:納米線=非常細的線。

最近幾年來，納米這個詞不僅是科研報告中的常客，也是逐漸被大家所熟悉的高科技的代名詞也許在很多不相關領域的人眼里，nano簡直等于極小例如，納米粒子是非常小的粒子，納米管是非常細的管子，納米孔是非常微小的孔是的，這種認識講了最直觀的表象，卻忽略了真正讓科學家感興趣的本質——納米效應

一些金納米顆粒的圖示和顯微照片。

但是，在詳細講述什么是納米尺度效應之前，我們必須試著把大家帶到微觀世界，看看這個世界和我們熟悉的世界有什么不同一般一個原子級或者電子級的理解，就足以幫助我們理解物質世界的很多現象在這種理解下，我們宏觀上看到的是微觀上由各種原子核及其核外電子組成的同時要認識到，原子核，電子，原子核和電子之間都存在相互作用，也就是我們常說的作用力

圖3微觀系統概念圖

雖然本質上都是電磁力，但人們把一些不同的情況抽象出來，一一賦予新的標簽有時候，有很大的概率，一些電子停留在兩個原子核之間的區域，看起來好像是兩個原子核共有的這種情況叫做共價鍵有時，一些電子明顯傾向于等待在一個原子核周圍，遠離另一個原子核，這種情況稱為離子鍵，有時，一些電子幾乎自由地在成千上萬個原子核周圍游走，似乎原子核都浸泡在電子的海洋中這種情況叫做金屬結合

圖4共價鍵，離子鍵和金屬鍵形成示意圖

以上三種鍵統稱為化學鍵，它們的強度很強，換句話說，不容易打破這樣的狀態當我們把所有兩個通過化學鍵相連的原子放入一個集體中，這個集體中包含的所有原子統稱為一個分子但有時，材料中的每個原子都通過化學鍵與周圍的原子相連，這樣所有的原子一起形成了一個分子，這種分子被稱為大分子至于晶體，不是大分子的一般稱為分子晶體，但大分子按其成鍵類型可分為原子晶體，離子晶體，金屬晶體

因此，化學鍵自然可以近似認為是分子內作用有了分子內相互作用，當然也會有分子間相互作用，包括范德華力和分子間氫鍵不細說，我們可以認為分子間相互作用是一種明顯弱于化學鍵的力所以由分子組成的物質會作為一個集體運動，分子本身不容易解體

圖6在冰和干冰中，水分子和二氧化碳分子之間分別存在氫鍵和范德華力。

有了這樣一個圖像，就可以介紹屬于納米尺度的有多小了根據定義，某一維度中1—100nm的尺度一般稱為納米尺度，而化學鍵連接的兩個原子之間的距離一般為0.1—0.2nm，一個包含十幾個或幾十個原子的分子的大小約為1nm或幾nm這樣，納米尺寸就可以理解為一個到幾個分子的大小或者幾個到幾十個原子并排排列的長度

因此，我們常常將三維，二維和一維的納米尺度的材料稱為納米球，納米線/細絲，納米管或納米帶和納米片，統稱為納米材料在碳材料中，C60，碳納米管和石墨烯是納米球，納米管和納米片的例子這三種材料又依次稱為零維材料，一維材料和二維材料

說到這，有人會問:那么，納米線不就是很細的線嗎是的，但不完全是

第二部分:納米效應

說到納米尺寸效應，我們得算一筆賬:一塊塊體材料的表面有多少個原子一般來說，材料的最外層屬于幾納米以內的表面對于直徑為1cm的小銅球，表面原子的比例約為0.0001%，但對于直徑為100nm甚至10nm的銅納米粒子，比例分別為27.1%和100%

圖9納米粒子表面的懸掛鍵

這是什么意思我們剛才提到化學鍵是非常強大的，也就是說一旦一個原子變成了各個方向的化學鍵，這個原子就好像被束縛了一樣，不能隨意移動而表面的原子部分暴露在外，自然化學鍵的數量比內部少，所以相對自由活潑這意味著表面原子的性質不同于內部原子的性質所以當表面原子比例不同時，就有完全不同的性質

之所以一定要強調納米尺寸對應多少分子原子，是因為納米尺寸效應的本質與成鍵有關而這種微觀作用反映的是相鄰原子或分子之間的東西，所以它在分子和原子的可數大小中必然變得重要當然，納米效應不僅僅是表面效應當尺寸小于光波長，德布羅意波長，超導態的相干長度等時，就會產生小尺寸效應因為能級不再連續而是離散的，會導致量子尺寸效應，此外，電子元器件也會出現納米隧道效應

對于納米線來說，除了長度維度，其他兩個維度都是微觀的，這就不可避免的導致了不能忽略的表面積比那么，這對它的機械強度有什么影響呢除了表面的影響，還有哪些因素決定了納米線的特殊性

第三部分:線是怎么斷的。

在解釋納米線的特殊性之前，我們先從這方面介紹一些材料力學的背景知識一般來說，螺紋斷裂前可能有幾個階段:彈性變形階段，塑性變形階段和最終斷裂階段它的微觀機制是不同的

當拉動一根線時，平行于線的方向上的相鄰原子將受到相反方向的力，這些力試圖將兩個原子分開但是，如前所述，相鄰原子之間存在化學鍵，其本質是電磁力當一個原子離開平衡位置時，電磁力會明顯抵抗外部拉力，就好像兩個原子之間有彈簧一樣如果此時去掉拉力，原子會在電磁力的作用下回到原來的平衡位置，說明線宏觀上又回到原來的長度了因此，這種可恢復的變形稱為彈性變形

圖11電磁力對抗拉力

相比之下，塑性變形是不可逆的，因為其微觀機制不再是簡單的化學鍵拉伸而是涉及到原子相對位置的變化塑性變形主要包括滑移和孿晶這里只介紹相對簡單的卡瓦顧名思義，晶體的一些原子沿著某個表面滑動一般這種現象只發生在金屬中，因為金屬鍵是原子核泡在電子的海洋中，所以當原子核整體滑離原來的位置時，分散的電子仍然可以提供足夠的電磁力，就像膠水一樣這種塑性變形而不損壞的特性叫做延展性因此，金屬也被稱為韌性材料

圖13金屬釘的延展性

對于一個共價晶體，比如鉆石，如果原子整體滑動，在離開原來位置的那一刻所有的鍵都會斷裂，材料整體斷裂這種幾乎不能發生塑性變形的材料稱為脆性材料

圖14鉆石被壓碎的瞬間

當然還有一種材料可以很大程度的彈性變形，比如橡膠它們內部通常有卷曲的長鏈分子當受到拉力時，分子鏈段在展開和拉直過程中的分子間作用會作為一個力來對抗外界的拉力這種材料雖然沒有明顯的塑性變形，但其彈性變形行為非常突出，一般稱為彈性材料

圖15彈弓拉伸時橡皮筋的彈性變形。

對于一根很少有彈性和延展性的普通絲線來說，如果我們想把它弄斷，就直接把橫截面上的化學鍵全部破壞掉這個好像很難但是在實際測量中發現，絲線比理論預測的要脆弱上百倍！根本原因是宏觀的絲線中幾乎都存在一定的缺陷，比如小裂紋這樣的裂紋線一旦被拉動，截面上的壓力將不再由所有原子分擔，而是很大程度上集中在裂紋邊緣

圖16缺陷引起的應力集中示意圖

但是，納米線可能基本上沒有缺陷，因此其強度可能接近理論的預測值，這是納米線的重要機械性能此外，如前所述，納米線具有高的表面原子比可是，表面原子之間的距離和功能與內部原子不同，在某些情況下，表面層的強度高于內部原子這為從整體上改善納米線的機械性能提供了一個新的維度當然，真實情況會更復雜，因為納米線表面還可能吸附其他分子，比如水分子這些分子也會影響表面層的強度

第四部:《飛刃》能實現嗎。

誠然，《三體》中描述的飛刃在現實中無法實現，所以這個問題的答案還是未知數但這并不意味著我們不能給出一些合理的思考角度來增強對類似技術實現的理解

圖17《我的三體》視頻截圖

首先是衡量材料力學性能的維度在前面的部分中，我們只關注沿著絲線延伸的維度可是，回顧動畫中的場景，我們發現納米線受到了更復雜的測試首先，船是從納米線的側面撞過來的，船的寬度小于納米線的長度這意味著絲線的中間部分受到一個垂直于絲線的力，即彎曲

圖18納米線的彎曲力

實際上，除了拉伸和彎曲之外，材料還可能受到壓縮，剪切，扭轉等作用。

此外，絲線并不是受到單一的作用，而是在連續切割不同部分的同時受到多種力的作用因此，納米線會被交替地拉伸，松弛，再拉伸和再松弛這反映了納米線的抗疲勞特性一般情況下，材料在多次受力后性能會衰減，即出現疲勞

圖20多次彎曲后金屬的疲勞斷裂

作為補充，船體本身的金屬材料畢竟硬度高，即使絲線能切穿金屬，金屬也會磨損其表面這種磨損很可能帶來致命的缺陷切割如此巨大的船，需要納米線能夠承受長期磨損，并且仍然具有良好的強度，這是一個非常苛刻的要求

另一個挑戰其實是長度，這是材料制備技術的水平如前所述，宏觀尺寸材料的強度遠低于理論值的原因是由于缺陷，基本上不可能制備出沒有任何缺陷的宏觀尺寸材料對于納米線來說，雖然橫截面是納米級的，但要實現150m的長度而沒有任何缺陷也是一個挑戰

圖21子彈穿透物體

對于納米線是否太細而無法切割材料和愈合，邊肖認為沒有必要擔心因為絲線在切割時就像子彈穿透物體一樣，伴伴隨著能量的釋放包括動能引起的碰撞和摩擦產生的熱量這些能量的釋放會對橫截面造成不可逆的損傷尤其是宏觀層面，基本上不可能全切痊愈比如，輻射雖然體積小，但含有高能量，仍然可以破壞DNA等大分子的結構

圖22《三體》動畫《飛刀》張力瞬間截圖

另外，書中的描述是，納米線是頭發絲粗細的十分之一，對應幾微米的量級，大概是由多根納米大小的線聚束而成它的直徑比原子間距大幾個數量級這樣的刀片實際上是一把鈍刀，在讓兩邊的結構愈合之前，很難留下整齊的切口

飛刃的技術能實現嗎。讓時間給我們答案...

參考資料:

王生，單志，黃宏納米線的力學性能

關振鐸，張中泰，焦金生無機材料的物理性質清華大學出版社，2011

材料力學性能課件。劉俊卿

材料物理課件。王丹紅

為什么冰比水輕。

鉆石—維基百科，自由的百科全書

結構化學課件。孫宏偉

方芳，張寧，郭丹，等面向原子和近原子尺度的制造國際極限制造雜志，2019，1: 012001

RISE電子顯微鏡拉曼集成系統:碳材料和2D材料的分析解決方案

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