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科普一下丨削铁如泥的“纳米飞刃”真能实现吗?

2023-02-16 11:39:21来源:科技头条

(相关资料图)

《三体》电视剧14日晚迎来大结局,收获好评无数,片中 “古筝行动”的名场面更让人津津乐道。只有头发丝十分之一粗细的超高强度纳米丝“飞刃”,成功把正在通过巴拿马运河的“审判日”号巨轮切割成面包片。那么,纳米飞刃在现实中存在吗?纳米材料真能削铁如泥吗?请专家科普一下。

纳米飞刃的确太过于神奇,我们现实生活中是否真的存在这样神奇的材料呢?其实纳米飞刃的原型就是大名鼎鼎的碳纳米管。如果我们仔细观察电视剧的背景,我们可以看到,汪渺的实验室中到处都是和碳纳米管相关的资料。

碳纳米管是上世纪90年代,由日本科学家率先发现的一种一维碳材料。它和石墨、金刚石一样,都是由碳原子构成,只不过碳原子的排布如同一根细长中空的水管,所以被称作“碳纳米管”。

碳纳米管被誉为“二十世纪最神奇的纳米材料”之一,它的密度只有钢铁的六分之一,但是强度却是钢铁的100倍,同时还具有超高的导电和导热,因此在很多领域被人们寄予厚望。

例如过去很多科学家曾经构想过太空电梯,人们可以在地球上乘坐太空电梯直达太空,但在现实中,太空电梯建造的最大阻碍之一便是太空缆绳的生产。由于太空缆绳的长度超过100公里,由钢铁等金属制成的太空缆绳,其强度还支撑不了自身的重量,因此钢铁是不可能用于生产太空电梯的缆绳。

而碳纳米管的强度和密度可以满足太空电梯的需求,因而它也被视为制造太空电梯的唯一材料。《三体》电视剧中,三体星人之所以忌惮纳米飞刃,恐怕一定程度上也是害怕人类开发出太空电梯后,可以便捷地进入太空,然后发现他们的阴谋吧。

尽管太空电梯距离现实还太过于遥远,但碳纳米管却已经广泛地应用于我们的日常生活中。例如我们使用的锂电池,不少就掺入了碳纳米管作为导电剂。添加了碳纳米管的电池,不仅寿命可以大幅提升,同时电池放电的能量损耗也能大幅下降。

清华大学的科学家在2002年便发明了由碳纳米管制成的触摸屏。碳纳米管触摸屏具备反应灵敏、受环境影响小、寿命长等特点,也广泛用于很多手机、板电脑中。

《三体》剧中的飞刃材料被制成极细的细丝后,可以成为无坚不摧的利刃,切割钢铁、石头等坚硬物体,那么碳纳米管是否也能用于切割物体呢?这就是科幻电影和现实中的差距了,碳纳米管虽然已经是地球上强度最高的材料之一了,但是由于单根碳纳米管的直径只有1纳米左右,它仅仅依赖几十个原子之间的共价作用维持结构,因此还是很脆弱的。单根碳纳米管甚至难以用于切割豆腐,它要真正实现无坚不摧,只能依赖于无数根碳纳米管拧在一起,形成一根很粗的线,而此时的碳纳米管却会因为太粗而难以切割坚硬物体了。

关键词: 科普介绍 纳米飞刃 材料科学 碳纳米管

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