納米絲切巨輪,技術上現實嗎?| 袁嵐峯_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2022-12-16 20:34
■ 導言
至少現在還造不出來。這是因為強度歸根結底是由化學鍵的鍵能決定的,而不同的化學鍵之間鍵能相差並沒有特別遠,基本還在同一個量級上。
大家好,我是科技袁人袁嵐峯。首先,祝賀《三體》動畫片開播!各位科幻迷,請用一句話證明你看過《三體》~
我選的是章北海父親的格言:“要多想。”因為這是全書中信息密度最高的一句話。四位面壁者的任務已經夠艱鉅的了,章北海卻不是面壁者勝似面壁者,成功地欺騙了包括讀者在內的所有人,為人類文明立下了第一大功。我寫過一篇文章(《<三體>救世主排行榜》),其中就把章北海評為頭號救世主。而在章北海的行動背後,就是他父親的這句“要多想”。
下面,我們就來談談從目前播放的前兩集引出的一些“多想”。片子一開頭就是“古箏行動”,只有頭髮絲十分之一粗細的超高強度納米絲“飛刃”把正在通過巴拿馬運河的巨輪“審判日”號切割成四十多片。那麼問題來了:這種技術是真實的嗎?

古箏行動
我諮詢了好幾位專家,包括幾位院士,眾口一詞的回答是:至少現在還造不出來。這是因為強度歸根結底是由化學鍵的鍵能決定的,而不同的化學鍵之間鍵能相差並沒有特別遠,基本還在同一個量級上。例如化學鍵中的“強者”C=C雙鍵是837 kJ/mol,相當弱的Si-Si單鍵也有176 kJ/mol,只是五倍的差距而已。這是因為所有的化學鍵歸根結底都來自電磁相互作用,所以不會相差太遠。當你拿這樣的材料去切割其他材料時,基本上就是一個化學鍵換一個或幾個化學鍵,很快你自己還是會斷掉。

鍵能統計1

鍵能統計2
這啓發我想到,如果用《三體》裏的“水滴”,説不定就能達到這種效果。因為決定水滴結構的是強相互作用,而強相互作用的強度比電磁力高兩個量級。但這顯然是遠超我們目前的能力範圍的!

水滴
不過如果不要求切割,僅僅要求高強度,那麼已經有了很多這樣的納米材料。例如一種用多根碳納米管做成的碳纖維,就可以有很高的強度,在航空航天的支撐材料裏經常用。用鋼做的氫氣瓶不能抵抗700個大氣壓,而用碳纖維做的氫氣瓶就可以。《三體》原著第一部第25節中提到過連接地面與太空的天梯,對此最容易想到的材料也是碳納米管。不過需要注意,雖然這種碳纖維的微觀結構是碳納米管,但在宏觀上已經是肉眼可見了,而不是像小説中描寫的那樣只有頭髮絲十分之一。因此真正的困難是把超細跟超強結合起來,能夠切割鋼鐵的,這種要求目前的材料都無法實現。
最後我們來介紹一下納米科學。這是一個非常活躍的研究領域,實際上我以前發的很多論文就可以算作納米領域的。納米是10的-9次方米,大約是10個原子的長度。一納米相對於一米,就好像一個彈珠相對於地球。
為什麼納米會成為一個研究領域呢?因為大塊晶體物質的性質是比較容易理解的,對它們用量子力學引出的能帶理論就可以預測。單個分子原子的性質也是比較容易理解的,對它們用量子化學計算方法就可以預測。但尺度介於兩者之間時,就有可能出現新的現象了。
例如量子點顯示器(《為什麼不再説“缺芯少屏”了?因為中國顯示領先了 | 袁嵐峯》)。不同的量子點其實是同一種物質,僅僅是尺度不同,比如説從2納米到10納米,結果它們吸收光的頻段就不同,導致它們顯示出來的顏色不同(《碳量子點回憶錄 | 中國科學技術大學 化學實驗教學中心》)。因此,我們確實可以對納米材料寄予厚望。

量子點發光(《碳量子點回憶錄 | 中國科學技術大學 化學實驗教學中心》)
在我看來,古箏行動還有一個特別的意義:它是原著第一部中人類唯一的一次勝利,給我們鼓起勇氣。如果沒有這一段,讀者也許就會感覺人類太弱了,在三體面前完全沒有還手之力。即使我們是蟲子,我們也是有智慧的蟲子,也是能探索自然規律、能發揮主觀能動性的。正如笛卡爾所言,我思故我在。

笛卡爾
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