遥闻水面汽笛阵阵，

便有巨轮破浪而来，

其高数丈。

忽有丝弦绷紧声，

继而桅杆崩倒，船体破碎。

又一钢柱断折，巨响隆隆。

当是时，

船员呼喊声，阵阵哭声，

惊鸟啼鸣声，钢铁撞击声，

滔滔江水声，

一时齐发，震撼天地！

图6 冰和干冰中，水分子间与二氧化碳分子间分别存在氢键和范德华力

有了这样的图像后，我们就可以介绍究竟“多小”才属于纳米尺度。按照定义，一般把某一个维度上尺寸在1-100nm称为纳米尺度，而化学键连接的两个原子的间距一般是0.1-0.2nm。一个包含十几个或者几十个原子的分子的尺寸大概是1nm或者几个nm。这样来看的话，纳米尺寸大概可以理解为“一个到几个分子的尺寸”，或者“几个到几十个原子并肩排好的长度”。在后面的部分，我们将逐渐意识到这样看似“废话”的描述是多么重要！

图9 纳米颗粒表面的悬键

这意味着什么？刚刚我们提到过化学键是很强的作用，这意味着一旦某个原子在各个方向上都成了化学键，这个原子就仿佛被“捆”住，无法随意移动。但是表面上的原子是部分暴露的，自然成的化学键数量比内部要少，因此相对“自由”，很活泼。这意味着表面原子与内部原子性质不同。因此，当表面原子占比不同时，就具有了截然不同的性质。而通过计算我们不难发现，在具有纳米尺度的维度上，表面占比不再可以忽略，且随着尺寸进一步减小，这个占比会显著提高甚至达到100%！

当一根线受到牵拉时，其内部平行于线的方向上相邻的原子会受到相反方向的力，这对力试图把这两个原子分开。然而在前面介绍过，相邻原子间存在着化学键，其本质为电磁力。当原子离开平衡位置时，电磁力会显著地抵抗外界的拉力，仿佛是这两个原子间有一根弹簧。如果此时撤去拉力，原子还会在电磁力的作用下回到原来的平衡位置，宏观上表现为线回到了原始长度。因此将这样的可以恢复的形变称为弹性形变。

图12 滑移与孪晶示意 | 图片源自[4]

图14 金刚石被压碎瞬间

当然，还有一种材料可以发生很大程度的弹性形变，比如橡胶。他们的内部一般有蜷曲的长链分子。当受到牵拉时，分子链段展开伸直过程中的分子间作用会作为与外部拉力相抗衡的力。这种材料虽然也没有明显的塑性形变，但是弹性形变的行为很突出，一般称为弹性材料。

图21 子弹击穿物体

关于纳米丝太细会不会切开材料又愈合，小编认为是不用担心的。因为丝线在切割时就犹如子弹在击穿物体，其中伴随着能量的释放。包括着动能导致的碰撞以及摩擦产生的热等。这些能量的释放会对于断面处产生不可逆的损伤。尤其是宏观级别上整体的割断，要想愈合基本是不可能的。类似的比如放射线虽然尺寸上很小但是蕴含较高的能量，依旧可以破坏DNA等大分子等结构。

图22 《三体》动画“飞刃”张紧瞬间截图

此外书中的描述是纳米丝是“头发的十分之一”粗细，这对应的是几个微米的量级，很可能是多个纳米级别的丝线结成束形成的。其直径比原子间距大几个数量级。这样的“刀刃”其实是“钝刀”，很难留下齐整的切口再允许两侧的结构愈合。

至于“飞刃”的技术能否实现？就让时间给我们答案吧……

参考资料：

[1] Wang S , Shan Z , Huang H . The Mechanical Properties of Nanowires[J]. Current Sustainable/Renewable Energy Reports, 2017(4):4

[2] 关振铎, 张中太, 焦金生. 无机材料物理性能[M]. 清华大学出版社, 2011.

[3]《材料力学性能》课程课件. 刘俊庆

[4]《材料物理》课程课件. 王丹红

[5]冰为什么比水轻？

[6]钻石 - 维基百科，自由的百科全书

[7]《结构化学》课件. 孙宏伟

[8] Fang F, Zhang N, Guo D, et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2019, 1(1): 012001.

[9]RISE电镜拉曼一体化系统：碳材料和二维材料分析解决方案

[10]纳米材料的基本效应有哪些？- 知乎 (zhihu.com)

[11]材料的磨损性能详解 - 知乎 (zhihu.com)

编辑：云开叶落