材制視角 | 一根頭發(fā)絲能干什么？--納米切割
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相信不少看過《三體》的小伙伴都對“古箏行動”留下了深刻印象，表面是看似優(yōu)雅的行動代號，切開來看卻是一場驚心動魄的人間慘案。
此次行動簡單來說就是在河兩岸拉起一種新型的納米材料，它是一種號稱“飛刃”的絲狀材料，通過分子建筑技術(shù)可將其粗細(xì)控制在頭發(fā)絲的十分之一左右。這種細(xì)極堅(jiān)韌的絲狀物像刀刃一樣，具有極強(qiáng)的切割力。當(dāng)敵軍的輪船通過“飛刃”時，船身和內(nèi)部人員會被瞬間切斷，它也被稱為死亡之琴。
以下引用原文：
“審判日”號開始散成四十多片薄片，每一片的厚度是半米，從這個距離看去是一片片薄板，上部的薄片前沖速度最快，與下面的逐級錯開來，這艘巨輪像一疊被向前推開的撲克牌，又像一個絆倒的服務(wù)生手中向前傾倒的一摞盤子.......切割面像鏡面般光滑。
雖然它出自科幻小說，多多少少有夸張的成分，但在現(xiàn)實(shí)生活中，利用納米材料進(jìn)行切割和雕琢的例子不在少數(shù)，今天我們就來簡單了解一下納米切割技術(shù)。
一、高強(qiáng)度匯聚激光束納米切割
原理：將一束高動能的電子打在樣品靶上，會與靶內(nèi)的原子作用，發(fā)生非彈性散射，令一些入射電子損失能量。其中部分損失的能量以二次電子或光子的形式逸出樣品靶，另一部分損失的能量則最終轉(zhuǎn)化成能量留在樣品靶中，使其溫度升高。
高能電子束能夠使樣品靶物質(zhì)升溫的原理早已被應(yīng)用于商業(yè)設(shè)備中，如電子焊槍能用來進(jìn)行電子束焊接，電子束熱蒸發(fā)設(shè)備可以制備高熔點(diǎn)金屬薄膜。
當(dāng)電子束的輻照強(qiáng)度增加到10~100A/cm2量級時，會在樣品中產(chǎn)生原子脫位、剝離、濺射等效應(yīng)，導(dǎo)致樣品近表面區(qū)域形成多種缺陷和非晶化。利用高強(qiáng)輻照的電子束已經(jīng)能夠?qū)⒔鸬谋∧の蚣庸こ?strong>納米橋，也能在硅表面或氧化物薄膜中制造納米尺度的小孔。當(dāng)電子束輻照強(qiáng)度增加到100000A/cm2至1000000A/cm2時，這個高強(qiáng)度電子束的作用就像切割槍一樣，能夠在非金屬與金屬納米線上快速鉆洞、切割或雕刻圖案。
二、HIEB快速切割效應(yīng)
它的原理與高強(qiáng)度匯聚激光束切割類似，在匯聚激光束切割工藝中，空間局域化的大量能量由高強(qiáng)度激光束通過光子-電子耦合，變?yōu)槟芰哭D(zhuǎn)移到被切物質(zhì)，使其溫度劇烈升高，瞬間氣化。在能量密度更高的脈沖激光沉積過程中，入射激光在靶表面聚焦后的強(qiáng)度很高，這使得脈沖激光沉積能夠適用于幾乎所有的固體和液體靶材。
三、利用納米切割技術(shù)制造三維結(jié)構(gòu)
相信大家小時候都上過剪紙和折紙的美術(shù)課，這種剪切折疊藝術(shù)可以將平面的二維切口轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)，這給納米級材料制造三維結(jié)構(gòu)提供了簡單途徑。2018年，就有研究人員嘗試使用納米切割技術(shù)生產(chǎn)納米器件，以此來操縱光。
該團(tuán)隊(duì)選擇使用聚焦離子束將二維圖案切割成幾納米厚的懸浮薄金膜。首先用聚焦離子束按照規(guī)定的路徑在金屬板上書寫圖案，然后用相同的離子束在低密度條件下照射這個斷線模式，這就會從晶格中激發(fā)出金原子，產(chǎn)生空位，或者將鎵離子從薄膜中注入?？瘴划a(chǎn)生拉應(yīng)力，而嵌入的鎵原子產(chǎn)生壓縮力。拉伸和壓縮應(yīng)力扭曲薄膜，使其彎曲和扭曲，導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)的形成。
上述兩種應(yīng)力的結(jié)合決定了受離子束影響的頂層內(nèi)的應(yīng)力分布，從而使受影響較小的底層變形，不同樣品位置的應(yīng)力被釋放，地形學(xué)通過形狀轉(zhuǎn)換達(dá)到平衡。所以通過地形學(xué)上的設(shè)計(jì)確定了切口的彈出，使薄膜向下彎曲或扭曲。
大多數(shù)以前的切割方法需要涉及多種材料和繁雜的工藝步驟，一般不可控也不可重復(fù)納米級，但該納米切割技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時三維納米加工。而且，使用納米切割技術(shù)創(chuàng)建的光學(xué)設(shè)備比傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備小一個數(shù)量級，并且該方法可以制作傳統(tǒng)納米加工技術(shù)無法生產(chǎn)的更復(fù)雜的納米級幾何形狀。
該技術(shù)還可以生產(chǎn)更復(fù)雜的光學(xué)芯片用于傳感，計(jì)算，通信系統(tǒng)或微/納米光子，電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。
前面說了很多納米切割的學(xué)術(shù)原理，是不是感覺離現(xiàn)實(shí)生活比較遙遠(yuǎn)，其實(shí)納米材料的存在并沒有那么“高高在上”，它可以說是貫穿了我們?nèi)粘！?strong>衣食住行”的方方面面。
1、在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌。化纖布雖然結(jié)實(shí)，但有煩人的靜電現(xiàn)象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)象。
2、納米二氧化鈦可以作為一種添加劑，在防曬霜中應(yīng)用。
3、用抗菌性納米材料可以制作抗菌冰箱。類似納米材料保鮮。
4、利用納米粉末（比如二氧化鈦），可以使廢水徹底變成清水，完全可以飲用，進(jìn)行水的凈化處理。
5、將納米三氧化二鐵、納米二氧化鈦、納米氧化鋅加入涂料中，可以使墻面涂料的耐刷性提高近十倍，并且使涂料具有一定自潔能力。
6、含有納米微粒的建筑材料還可以吸收對人體有害的紫外線。
7、納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件的理想材料，大大提高發(fā)動機(jī)效率、工作壽命和可靠性。
8、納米衛(wèi)星可以隨時向駕駛員提供交通信息，幫助其安全駕駛，甚至還可以在未來實(shí)現(xiàn)星際旅行。
其實(shí)納米材料已經(jīng)漸漸的從四面八方滲入我們的日常生活了，不管是高精尖的科技研發(fā)，還是衣食住行中提高生活質(zhì)量。納米通常都是以其極微小的存在在各個領(lǐng)域發(fā)揮著強(qiáng)大且高效的作用，一根頭發(fā)絲大小的納米材料也同樣不容小視。隨著科技的不斷進(jìn)步，目前尚未成熟的納米技術(shù)會一步步走向未來，希望納米材料可以支撐新興產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)納米材料的可持續(xù)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
1、《三體I》古箏行動
2、推送文章：材料圓桌 | 從《三體》里納米絲切割巨輪說起，聊聊納米材料那些事
3、《Nano-kirigami cuts optical devices down to size》，由材料科技在線團(tuán)隊(duì)編譯。
4、《電子束納米焊接與納米切割》許勝勇
5、圖源于網(wǎng)絡(luò)
撰 稿 人 ：科技協(xié)會科創(chuàng)部? ? 張 驁? 馬浩然
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