科技猎三体世界的纳米飞刃，离我们还有多远？
三体世界的纳米飞刃，离我们还有多远？
根新未来
· 2023.02.28 12:24
作为能够支撑地球文明发展的希望材料，我们离“纳米飞刃”的未来还有多远的距离？
图片来源@视觉中国
文｜根新未来
今年，还原度高、场景震撼、角色表演到位的国产科幻剧《三体》的热播，也把很多科幻概念带进了现实生活。其中，最为人们所关注的，就是一种名为“纳米飞刃”的纳米材料。在“古筝行动”中，如同一根蚕丝细的纳米飞刃，却可以成为世界上最锋利的刀。
现实生活中真的存在“纳米飞刃”吗？作为能够支撑地球文明发展的希望材料，我们离“纳米飞刃”的未来还有多远的距离？
古筝行动和纳米飞刃
还是先回到三体世界里来看看纳米飞刃。
小说中，4.2光年远的三体文明世界拥有三个太阳，一部分三体人靠脱水存活下来，但文明被摧毁，为了生存，三体人决定殖民地球，他们舰队抵达太阳系需要400年。面对来自三体星球的外星人时，地球上形成了一个欢迎三体人到来的秘密组织，即地球三体组织。同时，为了阻碍地球人类的科技发展，三体人派了两个质子来地球锁死人类科技的发展，包括扰乱科学实验，让科学家相信物理不存在，多名研究人员因而自杀。
人类社会也意识到了三体人的威胁，成立了地球防卫组织，以抵抗三体人的到来。地球防卫组织通过调查得知，地球三体组织的核心基地和指挥中心建立在一艘经过改装的六万吨油轮上，并将其命名为“审判日”号。根据小说描述，“审判日”号长220米、宽30米、高31米、吃水8米，并且一直在不停的航行。
为了防止审判日号上的三体信息被盗走，地球三体组织的建立者伊文斯在巨轮上增加大量复杂结构，进入新舱室老船员都要看图认路，存放三体信息的硬盘增加了自毁功能，一个简单按键就能彻底删除三体信息。
然而，地球防卫组织要想有效地抵抗三体人，必须要得到存储在“审判日”号上的三体人信息，这些信息关系到了人类的存亡。为了在不破坏这些信息的情况下摧毁“审判日”号及其成员，地球防卫组织最终决定启动古筝计划，那就是在“审判日”号通行巴拿马运河的时候，在运河某处两岸立两根柱子，柱子之间平行的地扯上许多细丝，间隔半米左右，“审判日”号白天经过此处时，不仅船体将被细丝切割成半米厚的薄片，其船上大部分成员也将被摧毁。
而所谓的细丝其实就是汪淼研发的最新纳米材料飞刃丝，它基于纳米技术，采用分子建筑术，利用分子探针将材料分子像砌砖那样一个个垒砌起来，最终形成丝状，我们可以简单的将细丝想象为排列成一排的小球，小球之间紧密牢固的连在一起，只不过这些小球都是分子。“飞刃”粗细虽然只有头发丝的十分之一，但强度却足以吊起一辆大卡车。
巴拿马运河河道最窄处150米，在小说中，为了使两根柱子不被“飞刃”先切断，科学家分别在最窄处两岸安放两根铁柱，柱子中间是平行的飞刃丝，间距50厘米。做好准备后，等待审判日号的到来。最终，“审判日”号通过此处时，一艘6万吨重的巨轮就被几根细丝切成“面包片”，巨轮在巨响中解体，倒向一侧的岸边，隐藏在附近的数十辆装甲车和警车呼啸而来。
地球防卫组织如愿以偿地得到了大量有关三体人的信息，从而揭开了人类和三体人大战的序幕。
人类文明的跨越式发展
所有的科幻概念都有理可依。虽然古筝行动在现实中暂时还很难实现，但是在实际的工程技术中，用线状工具切割材料的场景并不少见。
比如，线锯就是一种专门用金属线或缆绳切割大块固体材料的工具。典型的金刚石切割线，结构是利用烧结、电镀或钎焊等方式将金刚石磨粒固定在高强度钢线上，与待切割物体进行高速磨削运动，从而达到切割的目的。从宝石、水晶到花岗岩、钢筋混凝土，金刚石切割线几乎可以切割任何硬度小于金刚石的材料。
但与当前所有材料都不同，古筝行动中，作为线状工具切割的纳米飞刃是极特殊的一种新材料，即纳米级材料。纳米，其实就是一种长度的度量单位，1 纳米相当于一根头发丝直径的 6 万分之一左右，而纳米材料是纳米级结构材料的简称，这种材料的结构单元尺寸介于 1 纳米～100 纳米范围之间。这个尺度已经微观到了原子、分子级别。按小说设定来看，“飞刃”是“十分之一根头发粗细”的纳米级材料，也就是5微米，5000纳米。
当然，尺度只是纳米级材料最直观的表象，而纳米级材料真正特殊的，是它的特性——纳米效应。许多物质在微观世界里都会呈现出与宏观状态时十分不同的性质，这与组成物质的原子的排列结构有关。宏观状态时，某些物质的原子排列很不规则，但如果在纳米尺度下将原子按照某些规律整齐排列，就能产生一些特殊的性质。如磁性增大、韧性变强、导电性质更好等等。
目前，已知世界上强度最高的材料的是碳纳米管，又名巴基管——纳米飞刃的原型正是碳纳米管。碳纳米管的历史可以追溯到1991年，由日本科学家饭岛澄男发现。饭岛澄男本意是想要制备足球烯，但是没成功，反而制备出了一系列纳米级别的管状构造，也就是碳纳米管。
碳纳米管的发现掀起了一股研发热潮，也被誉为“二十世纪最神奇的纳米材料”之一。碳纳米管是由六边形排列的碳原子构成数十层的同轴圆管结构，总直径约20纳米，层与层的固定距离约为0.34纳米。由于碳纳米管密度只有钢铁的六分之一，强度却是钢铁的100倍，因此，不少科学家认为碳纳米管是打开的太空“自由行”的关键材料。比如，可以作为太空电梯绳索的材料、飞行器的绳索、太空舱飞行动力。
在三体的故事线里，正是因为汪淼解决了“飞刃”的量产问题，这种无比坚韧的纳米材料才在续作里应用于太空电梯的制造，使得200年后的人类得以大规模进入太空，组建起了由2000艘星际战舰构成的庞大太空舰队，这才能够正面迎战三体文明发来的先遣探测器。如果人类真的能够发明出力学性能如此强大的材料，那么它将拥有极其广大的应用场景，绝不只是切割一艘巨轮这么简单，更会为人类文明带来跨越式的发展。
我们离纳米飞刃还有多远？
理想是美好的，但现实也是骨感的。纳米级材料进入应用中，还需要经受更为复杂的考验。
首先，材料的抗疲劳性是材料一个非常重要的性能。比如，在三体中，首先船是从纳米飞刃的侧面撞过来的，且船的宽度小于线的长度。这意味着丝线主要是中间部分受到了垂直于线的力，即弯曲的作用。实际上，除了拉伸和弯曲，纳米飞刃还可能受力的方式有压缩、剪切、扭转等。此外，丝线受到的并不是单次的作用，而是在不断切割不同部件时多次的受力。因此纳米线会交替的张紧、松弛、再张紧、再松弛，这反应的是纳米丝抗疲劳的属性。一般情况下，材料在多次受力后性能会有所衰减，即出现了疲劳。
并且，由于材料在应力水平远低于静态断裂强度的情况下即可产生疲劳行为，抗疲劳性能和疲劳破坏机制的研究对于新材料的耐久性评估非常重要。但由于单根碳纳米管尺寸小，其抗疲劳行为以及疲劳破坏机制难以被测试，成为该领域一直困扰科学家们的重大难题。
另一个挑战则在于纯度，换言之，如何在单位面积上制备高密度的碳纳米管。其中，碳纳米管纯度是指，在生长碳纳米管的过程中，会出现部分器件并没有真正成为碳纳米管而是形成了金属碳纳米管，这些金属碳纳米管的电气特性和真正的碳纳米管并不一致。
实际上，宏观尺寸的材料之所以强度远低于理论值就是由于存在缺陷，而制备宏观尺度想保证没有任何缺陷又是基本不可能的。实际制备中受限于单根碳纳米管的长度以及种种缺陷和杂质的存在，使得强度大大降低，因此，当前还无法实现小说中横跨运河两端几十个来回那么长。
对于纳米丝而言，虽然在截面上是纳米尺度，但是能否实现在150m长度上没有任何缺陷都是一种挑战。可以说，真想靠碳纳米管去切割轮船，还得解决许多科学难题，想得到真正的“纳米飞刃”，仍需继续探索。
材料对地球文明的发展和延续极为重要。事实上，人类文明史就是一部材料发展的科技史。文明的进步总是离不开各种工具的发明和使用，而制造工具所需的材料和工艺最终要仰仗材料科学的发展；反过来，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。
以信息科技为代表的新科技浪潮正在袭来。在芯片、飞机、生物制药及新制剂等领域，各类新材料不断应用；具有光、声、电、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等高性能的新型材料不断被发现。
三体世界至少让我们知道了一种新的可能，现实世界里人类并没有面临三体危机，也不需要用古筝行动去切割巨轮，但像太空电梯那样能够大规模低成本迈进太空带来的好处却是实实在在的。而人类总归会走向星辰大海的未来。
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