纳米丝切巨轮，技术上现实吗？| 袁岚峰

■ 导言

至少现在还造不出来。这是因为强度归根结底是由化学键的键能决定的，而不同的化学键之间键能相差并没有特别远，基本还在同一个量级上。

大家好，我是科技袁人袁岚峰。首先，祝贺《三体》动画片开播！各位科幻迷，请用一句话证明你看过《三体》~

我选的是章北海父亲的格言：“要多想。”因为这是全书中信息密度最高的一句话。四位面壁者的任务已经够艰巨的了，章北海却不是面壁者胜似面壁者，成功地欺骗了包括读者在内的所有人，为人类文明立下了第一大功。我写过一篇文章（《<三体>救世主排行榜》），其中就把章北海评为头号救世主。而在章北海的行动背后，就是他父亲的这句“要多想”。

下面，我们就来谈谈从目前播放的前两集引出的一些“多想”。片子一开头就是“古筝行动”，只有头发丝十分之一粗细的超高强度纳米丝“飞刃”把正在通过巴拿马运河的巨轮“审判日”号切割成四十多片。那么问题来了：这种技术是真实的吗？

古筝行动

我咨询了好几位专家，包括几位院士，众口一词的回答是：至少现在还造不出来。这是因为强度归根结底是由化学键的键能决定的，而不同的化学键之间键能相差并没有特别远，基本还在同一个量级上。例如化学键中的“强者”C=C双键是837 kJ/mol，相当弱的Si-Si单键也有176 kJ/mol，只是五倍的差距而已。这是因为所有的化学键归根结底都来自电磁相互作用，所以不会相差太远。当你拿这样的材料去切割其他材料时，基本上就是一个化学键换一个或几个化学键，很快你自己还是会断掉。

键能统计1

键能统计2

这启发我想到，如果用《三体》里的“水滴”，说不定就能达到这种效果。因为决定水滴结构的是强相互作用，而强相互作用的强度比电磁力高两个量级。但这显然是远超我们目前的能力范围的！

水滴

不过如果不要求切割，仅仅要求高强度，那么已经有了很多这样的纳米材料。例如一种用多根碳纳米管做成的碳纤维，就可以有很高的强度，在航空航天的支撑材料里经常用。用钢做的氢气瓶不能抵抗700个大气压，而用碳纤维做的氢气瓶就可以。《三体》原著第一部第25节中提到过连接地面与太空的天梯，对此最容易想到的材料也是碳纳米管。不过需要注意，虽然这种碳纤维的微观结构是碳纳米管，但在宏观上已经是肉眼可见了，而不是像小说中描写的那样只有头发丝十分之一。因此真正的困难是把超细跟超强结合起来，能够切割钢铁的，这种要求目前的材料都无法实现。

最后我们来介绍一下纳米科学。这是一个非常活跃的研究领域，实际上我以前发的很多论文就可以算作纳米领域的。纳米是10的-9次方米，大约是10个原子的长度。一纳米相对于一米，就好像一个弹珠相对于地球。

为什么纳米会成为一个研究领域呢？因为大块晶体物质的性质是比较容易理解的，对它们用量子力学引出的能带理论就可以预测。单个分子原子的性质也是比较容易理解的，对它们用量子化学计算方法就可以预测。但尺度介于两者之间时，就有可能出现新的现象了。

例如量子点显示器（《为什么不再说“缺芯少屏”了？因为中国显示领先了 | 袁岚峰》）。不同的量子点其实是同一种物质，仅仅是尺度不同，比如说从2纳米到10纳米，结果它们吸收光的频段就不同，导致它们显示出来的颜色不同（《碳量子点回忆录 | 中国科学技术大学化学实验教学中心》）。因此，我们确实可以对纳米材料寄予厚望。