遙聞水面汽笛陣陣，

便有巨輪破浪而來，

其高數(shù)丈。

忽有絲弦繃緊聲，

繼而桅桿崩倒，船體破碎。

又一鋼柱斷折，巨響隆隆。

當(dāng)是時(shí)，

船員呼喊聲，陣陣哭聲，

驚鳥啼鳴聲，鋼鐵撞擊聲，

滔滔江水聲，

一時(shí)齊發(fā)，震撼天地！

這便是《三體》中令人難忘的“古箏計(jì)劃”的畫面，也有幸成為了動(dòng)畫的開頭。這曲駭人的曲子正是由角色汪淼研制的特殊納米絲奏響的。看到這里，小編不禁陷入沉思：納米絲是什么？是什么決定了納米絲的獨(dú)特性？納米絲真的能實(shí)現(xiàn)“無差別切割”么？

Part 1：納米絲=很細(xì)的絲？

”

近年來，“納米”這個(gè)詞不僅是科研報(bào)道中的?？停€是逐漸讓大家耳熟能詳?shù)摹案呖萍即~”。也許在很多非相關(guān)領(lǐng)域的人們看來，納米只是簡單地和“特別小”畫等號(hào)。比如納米顆粒就是“很小的顆?！?，納米管就是“很細(xì)的管”，納米孔就是“很微小的孔”。沒錯(cuò)，這樣的理解道出了最為直觀的表象，但是忽略了真正引起科學(xué)家們感興趣的本質(zhì)——納米效應(yīng)。

然而，在具體地講述納米尺寸效應(yīng)是什么之前，必須嘗試將大家?guī)У轿⒂^世界去，看看這個(gè)世界究竟和我們熟悉的世界有何不同。一般情況下，一個(gè)“原子級(jí)”或者“電子級(jí)”的認(rèn)識(shí)就足以幫助我們理解材料世界很多的現(xiàn)象了。在這種認(rèn)識(shí)里，我們宏觀所看到的物質(zhì)在微觀上就是由各種原子核以及其核外電子構(gòu)成的。而必須同時(shí)認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)是：原子核之間、電子之間、原子核與電子之間都存在著相互作用，也就是我們常說的“作用力”（其中起主要作用的是電磁力，萬有引力一般較小可忽略）。

雖然本質(zhì)上都是電磁力，但是人們抽象出了一些不同的情況，并逐一賦予了新的標(biāo)簽。（1）有時(shí)候，部分電子很大概率待在兩個(gè)原子核中間的區(qū)域，看上去像是被兩個(gè)核共有，這種情況稱為共價(jià)鍵；（2）有時(shí)候，部分電子明顯傾向于“守候”在一個(gè)核周圍，而遠(yuǎn)離另一個(gè)，這種情況稱為離子鍵；（3）有時(shí)候，部分電子幾乎自由地在成千上萬的核周圍游走，似乎核“浸泡”在電子組成的海洋中，這種情況稱為金屬鍵。

上述三種鍵統(tǒng)稱“化學(xué)鍵”，其強(qiáng)度都是較強(qiáng)的，換句話說就是不容易打破這樣的狀態(tài)。當(dāng)我們把所有以化學(xué)鍵（一般指“共價(jià)鍵”或者“離子鍵”）連接的兩個(gè)原子歸納到一個(gè)集體里，這個(gè)集體包含的所有原子就統(tǒng)稱為一個(gè)“分子”。但是有些時(shí)候，材料內(nèi)部的每個(gè)原子都以化學(xué)鍵與周圍的原子相連，這樣所有原子共同組成了一個(gè)“分子”，于是稱為“巨分子”。對(duì)于晶體而言，不是“巨分子”的一般稱為“分子晶體”（如冰、干冰），是巨分子的依據(jù)成鍵類型的不同分為“原子晶體”（如金剛石）、“離子晶體”（如NaCl晶體）和“金屬晶體”（如銅、銀）。

于是，化學(xué)鍵自然而然地可以近似認(rèn)為是“分子內(nèi)作用”（分子內(nèi)氫鍵的特殊情況除外）。那有了分子內(nèi)作用，當(dāng)然會(huì)有分子間作用，包括范德華力和分子間氫鍵。不究細(xì)節(jié)地講，我們可以認(rèn)為分子間作用是一種顯著比化學(xué)鍵更微弱的作用力。因此分子組成的物質(zhì)內(nèi)部會(huì)以分子為一個(gè)集體運(yùn)動(dòng)，分子本身不容易解體。

有了這樣的圖像后，我們就可以介紹究竟“多小”才屬于納米尺度。按照定義，一般把某一個(gè)維度上尺寸在1-100nm稱為納米尺度，而化學(xué)鍵連接的兩個(gè)原子的間距一般是0.1-0.2nm。一個(gè)包含十幾個(gè)或者幾十個(gè)原子的分子的尺寸大概是1nm或者幾個(gè)nm。這樣來看的話，納米尺寸大概可以理解為“一個(gè)到幾個(gè)分子的尺寸”，或者“幾個(gè)到幾十個(gè)原子并肩排好的長度”。在后面的部分，我們將逐漸意識(shí)到這樣看似“廢話”的描述是多么重要！

于是，我們往往將在三個(gè)、兩個(gè)以及一個(gè)維度上屬于納米尺寸的材料分別稱為納米球，納米線/絲（實(shí)心）、納米管（管狀）或納米帶（帶狀）以及納米片，統(tǒng)稱納米材料。碳材料中，我們常說的C60、碳納米管、石墨烯就是納米球、納米管以及納米片的例子。這三種材料還依次被稱為零維材料、一維材料和二維材料。

講到這里有人會(huì)問：那么，納米絲不就是很細(xì)的絲么？是的，但不盡然。

Part 2：納米效應(yīng)

在談及納米尺寸效應(yīng)時(shí)，我們要算一筆賬：一個(gè)塊體材料究竟有多少比例的原子在表面？一般認(rèn)為，材料最外層幾納米（假定取5nm）的范圍屬于表面。對(duì)于一個(gè)1cm直徑的小銅球，表面原子占比大概是0.0001%，但是對(duì)于一個(gè)直徑為100nm甚至10nm的銅納米顆粒，這個(gè)比例分別是27.1%和100%。

這意味著什么？剛剛我們提到過化學(xué)鍵是很強(qiáng)的作用，這意味著一旦某個(gè)原子在各個(gè)方向上都成了化學(xué)鍵，這個(gè)原子就仿佛被“捆”住，無法隨意移動(dòng)。但是表面上的原子是部分暴露的，自然成的化學(xué)鍵數(shù)量比內(nèi)部要少，因此相對(duì)“自由”，很活潑。這意味著表面原子與內(nèi)部原子性質(zhì)不同。因此，當(dāng)表面原子占比不同時(shí)，就具有了截然不同的性質(zhì)。而通過計(jì)算我們不難發(fā)現(xiàn)，在具有納米尺度的維度上，表面占比不再可以忽略，且隨著尺寸進(jìn)一步減小，這個(gè)占比會(huì)顯著提高甚至達(dá)到100%！

之所以一定要強(qiáng)調(diào)納米尺寸對(duì)應(yīng)著多少分子、多少原子，就是因?yàn)?strong>納米尺寸效應(yīng)的本質(zhì)與鍵合有關(guān)。而這種微觀的作用反映的是相鄰原子之間或者分子之間的事情，必然在分子、原子可數(shù)的尺寸上才變得重要。當(dāng)然，納米效應(yīng)不僅表面效應(yīng)一種。當(dāng)尺寸小于光波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)相干長度等時(shí)會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)；由于能級(jí)不再連續(xù)而是分立會(huì)導(dǎo)致量子尺寸效應(yīng)；此外在電子元件中還會(huì)出現(xiàn)納米隧道效應(yīng)等。

對(duì)于納米絲，其除了在長度的維度上是宏觀的，另兩個(gè)維度都是微觀的，這必然導(dǎo)致其具有不可忽略的表面占比。那么，這對(duì)于其機(jī)械強(qiáng)度有什么影響呢？以及除了表面的影響，還有什么因素決定了納米絲的特殊性呢？

Part 3：線是如何被拉斷的？

在交代納米絲的特殊性之前，我們首先從這個(gè)側(cè)面入手介紹一點(diǎn)關(guān)于材料力學(xué)的背景知識(shí)。籠統(tǒng)地講，一根線被拉斷之前可能會(huì)有幾個(gè)階段：彈性形變階段、塑性形變階段、最終斷裂階段。其微觀機(jī)制是不同的。

當(dāng)一根線受到牽拉時(shí)，其內(nèi)部平行于線的方向上相鄰的原子會(huì)受到相反方向的力，這對(duì)力試圖把這兩個(gè)原子分開。然而在前面介紹過，相鄰原子間存在著化學(xué)鍵，其本質(zhì)為電磁力。當(dāng)原子離開平衡位置時(shí)，電磁力會(huì)顯著地抵抗外界的拉力，仿佛是這兩個(gè)原子間有一根彈簧。如果此時(shí)撤去拉力，原子還會(huì)在電磁力的作用下回到原來的平衡位置，宏觀上表現(xiàn)為線回到了原始長度。因此將這樣的可以恢復(fù)的形變稱為彈性形變。

與之不同的是，塑性形變是不可恢復(fù)的，因?yàn)槠湮⒂^機(jī)制不再是簡單的化學(xué)鍵的拉伸。而是涉及到原子相對(duì)位置的改變。塑性形變主要包括滑移和孿晶。這里只介紹相對(duì)簡單的滑移。顧名思義就是晶體的部分原子沿著某個(gè)面整體滑動(dòng)。這種現(xiàn)象一般只發(fā)生在金屬中，因?yàn)榻饘冁I是原子核“浸泡”在電子的海洋中，所以當(dāng)原子核整體滑離原有位置時(shí)，彌散的電子依然能提供足夠的電磁力，就像是涂了膠水一樣。這種發(fā)生塑性形變而不破壞的性質(zhì)被稱為延展性。金屬也因此被稱為延性材料。

對(duì)于共價(jià)形式的晶體比如金剛石，如果原子這樣整體滑動(dòng)，那么離開原有位置的一瞬間所有的鍵都會(huì)斷裂，材料就會(huì)整體斷裂。這種幾乎無法發(fā)生塑性形變的材料被稱為脆性材料。

當(dāng)然，還有一種材料可以發(fā)生很大程度的彈性形變，比如橡膠。他們的內(nèi)部一般有蜷曲的長鏈分子。當(dāng)受到牽拉時(shí)，分子鏈段展開伸直過程中的分子間作用會(huì)作為與外部拉力相抗衡的力。這種材料雖然也沒有明顯的塑性形變，但是彈性形變的行為很突出，一般稱為彈性材料。

對(duì)于一根幾乎沒有彈性以及延展性的一般（非納米尺度）絲線，我們?nèi)绻雽⑵涑稊?，就是要直接破壞掉截面上所有的化學(xué)鍵。這看上去是很困難的。但是實(shí)際的測量中，發(fā)現(xiàn)真實(shí)情況下絲線比理論的預(yù)言要脆弱成百上千倍！究其根源，就是在宏觀級(jí)別的絲線中，幾乎必然存在缺陷，比如小裂紋。而一旦拉扯這樣存在有裂紋的線，截面上的壓力將不再由所有的原子共同承擔(dān)，而是很大程度集中在裂紋的邊緣。

然而納米絲可能實(shí)現(xiàn)基本無缺陷，因此其強(qiáng)度有可能接近理論的預(yù)言值，這便是納米絲的一個(gè)重要的力學(xué)特性。此外，前面提到了納米絲具有較高的表面原子占比。而表面原子間的間距以及作用是不同于內(nèi)部的，在某些情況下表面層的強(qiáng)度是高于內(nèi)部原子的。這就為納米絲整體的力學(xué)性能提升提供了新的維度。當(dāng)然，真實(shí)的情況還會(huì)更復(fù)雜些，因?yàn)榧{米絲的表面還可能吸附其他分子，比如水分子。這些分子也可能會(huì)影響表面層的強(qiáng)度。

Part 4：“飛刃”能實(shí)現(xiàn)么？

誠然，《三體》中描述的“飛刃”是在現(xiàn)實(shí)中還無法實(shí)現(xiàn)的，所以這個(gè)問題的答案還是未知的。但是這并不意味著我們不能給出一些合理的思考角度，增進(jìn)我們對(duì)于類似技術(shù)實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識(shí)。

首先就是關(guān)于材料力學(xué)性能衡量的維度。在前面的一個(gè)部分，我們僅僅圍繞的是沿著絲線拉伸的維度。然而回想在動(dòng)畫中的場景，我們發(fā)現(xiàn)納米絲經(jīng)受的是更為復(fù)雜的考驗(yàn)。首先船是從納米線的側(cè)面撞過來的，且船的寬度小于線的長度。這意味著絲線主要是中間部分受到了垂直于線的力，即彎曲的作用。

實(shí)際上，除了拉伸和彎曲，材料還可能受力的方式有壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等。

此外，絲線受到的并不是單次的作用，而是在不斷切割不同部件時(shí)多次的受力。因此納米線會(huì)交替的張緊、松弛、再張緊、再松弛……這反應(yīng)的是納米絲抗疲勞的屬性。一般情況下，材料在多次受力后性能會(huì)有所衰減，即出現(xiàn)了疲勞。

作為補(bǔ)充，船體這種金屬材質(zhì)畢竟本身有較高的硬度，即使絲線可以割穿金屬，金屬也會(huì)對(duì)其表面形成磨損。這種磨損很可能會(huì)帶來致命的缺陷。切割如此龐大的輪船，要求納米絲經(jīng)受長時(shí)間的磨損而依然具有較好的強(qiáng)度，這是十分苛刻的要求。

另一個(gè)挑戰(zhàn)其實(shí)在于長度，這是材料制備技術(shù)的層面。前面曾經(jīng)提及過，宏觀尺寸的材料之所以強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論值就是由于存在缺陷，而制備宏觀尺度想保證沒有任何缺陷又是基本不可能的。對(duì)于納米絲而言，雖然在截面上是納米尺度，但是能否實(shí)現(xiàn)在150m長度上沒有任何缺陷也是一種挑戰(zhàn)。

關(guān)于納米絲太細(xì)會(huì)不會(huì)切開材料又愈合，小編認(rèn)為是不用擔(dān)心的。因?yàn)榻z線在切割時(shí)就猶如子彈在擊穿物體，其中伴隨著能量的釋放。包括著動(dòng)能導(dǎo)致的碰撞以及摩擦產(chǎn)生的熱等。這些能量的釋放會(huì)對(duì)于斷面處產(chǎn)生不可逆的損傷。尤其是宏觀級(jí)別上整體的割斷，要想愈合基本是不可能的。類似的比如放射線雖然尺寸上很小但是蘊(yùn)含較高的能量，依舊可以破壞DNA等大分子等結(jié)構(gòu)。

此外書中的描述是納米絲是“頭發(fā)的十分之一”粗細(xì)，這對(duì)應(yīng)的是幾個(gè)微米的量級(jí)，很可能是多個(gè)納米級(jí)別的絲線結(jié)成束形成的。其直徑比原子間距大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的“刀刃”其實(shí)是“鈍刀”，很難留下齊整的切口再允許兩側(cè)的結(jié)構(gòu)愈合。

至于“飛刃”的技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)？就讓時(shí)間給我們答案吧……

參考資料：

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

[2] 關(guān)振鐸, 張中太, 焦金生. 無機(jī)材料物理性能[M]. 清華大學(xué)出版社, 2011.

[3]《材料力學(xué)性能》課程課件. 劉俊慶

[4]《材料物理》課程課件. 王丹紅

[5]冰為什么比水輕？

[6]鉆石 - 維基百科，自由的百科全書

[7]《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課件. 孫宏偉

[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.

[9]RISE電鏡拉曼一體化系統(tǒng)：碳材料和二維材料分析解決方案

[10]納米材料的基本效應(yīng)有哪些？- 知乎 (zhihu.com)

[11]材料的磨損性能詳解 - 知乎 (zhihu.com)

編輯：云開葉落