《三体》中的“纳米飞刃”真实存在吗？扫描电子显微镜给你答案

2023-06-12 10:24:54 北京中科科仪股份有限公司

不久之前，中国科幻巨作《三体》被搬上荧幕，为人们展现了一个恢弘的三体世界。作为人类与三体力量展开对决的第一幕，电视剧很好地还原了原著中名场面“古筝行动”。古筝行动，即人类借助密集排列固定在运河两岸的“纳米飞刃”材料，将航行在巴拿马运河中载有地球三体组织核心成员的“审判日”号巨轮切削成薄片，以此消灭三体组织核心成员，并获取三体世界重要情报，完成了人类对地球三体力量“审判日”号的审判。

图片来源：腾讯视频-电视剧《三体》

那么这种只有头发丝十分之一粗细的“飞刃”究竟是什么材料？在现实生活中真实存在吗？是否真能做到像切豆腐一样削铁如泥呢？

从“飞刃”的研发者汪淼教授背后这张PPT我们可以看出，所谓的“飞刃”就是碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs），而这张图片来源于清华大学魏飞教授团队于2013年发表于《ACS Nano》杂志的一篇合成超长碳纳米管的论文（DOI: 10.1021/nn401995z）。

图片来源：腾讯视频-电视剧《三体》

碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持约0.34 nm的固定距离，直径一般为2～20 nm。是一种一维量子材料，具有优异的力学、电学和化学性能。碳纳米管中碳原子形成的化学键同时具有sp²和sp³杂化，主要是sp²杂化，具有高模量和高强度。它的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6。它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸，是理想的高强度纤维材料，因此“纳米飞刃”在理论上是真实存在的。同时，碳纳米管也是制造“太空电梯”缆绳的最佳材料。

上图为使用KYKY-EM8100型场发射枪扫描电子显微镜拍摄的不同放大倍数的多壁碳纳米管，扫描电子显微镜可以很好地观察碳纳米管的管径、长径比、团聚程度以及断裂缺陷等。

在实际应用中，虽然碳纳米管拥有超强的力学性能，但离产业化应用还有很长的一段路要走，除了剧中汪淼博士提到的无法量产的问题以外，还存在着切割过程中材料磨损老化与摩擦放热等问题，这些都会造成碳纳米管材料的老化，使其力学性能大打折扣，造成纤维断裂。

现阶段用碳纳米管是无法完成坚硬物体切割的，目前工业上有很多硬质材料都是用切割钢线或者更高质量的金刚线来切割。金刚线，顾名思义，跟金刚石有关，大体上是把金刚石的微粉颗粒以一定的分布密度均匀地镶嵌在母线（一般为高碳钢丝）上，做成的金刚石切割线。通过金刚石切割机，金刚线与被切割物体间进行高速磨削运动，从而实现切割目的。主要用于光伏领域的多晶硅切片、单晶硅、晶棒等。从晶体硅料到硅片经历切方、截断及切片三个环节，其中切方及截断环节为保证切割速度及切割效率，通常用较粗线径的金刚线，而切片环节根据原材料利用率等，选择较细的金刚线。

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金刚线的母线，一般为高碳钢丝，由拉丝厂家将盘条拉制为不同直径的黄丝，再将黄丝进一步拉为微米级的母线。金刚石微粉由人造金刚石颗粒破碎而成，颗粒度一般小于50μm，是金刚线起切割作用的关键材料，其质量及稳定性直接影响后续电镀工艺及成品金刚线质量。金刚石的分布密度、固结强度、切割能力、钢线的抗疲劳性等都直接影响金刚线的性能。