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《三體》中的“納米飛刃”真實存在嗎？掃描電子顯微鏡給你答案
不久之前，中國科幻巨作《三體》被搬上熒幕，為人們展現了一個恢弘的三體世界。作為人類與三體力量展開對決的第一幕，電視劇很好地還原了原著中名場面“古箏行動”。古箏行動，即人類借助密集排列固定在運河兩岸的“納米飛刃”材料，將航行在巴拿馬運河中載有地球三體組織核心成員的“審判日”號巨輪切削成薄片，以此消滅三體組織核心成員，并獲取三體世界重要情報，完成了人類對地球三體力量“審判日”號的審判。
圖片來源：騰訊視頻-電視劇《三體》
那么這種只有頭發絲十分之一粗細的“飛刃”究竟是什么材料？在現實生活中真實存在嗎？是否真能做到像切豆腐一樣削鐵如泥呢？
從“飛刃”的研發者汪淼教授背后這張PPT我們可以看出，所謂的“飛刃”就是碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs），而這張圖片來源于清華大學魏飛教授團隊于2013年發表于《ACS Nano》雜志的一篇合成超長碳納米管的論文（DOI: 10.1021/nn401995z）。
圖片來源：騰訊視頻-電視劇《三體》
碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，層與層之間保持約0.34 nm的固定距離，直徑一般為2～20 nm。是一種一維量子材料，具有優異的力學、電學和化學性能。碳納米管中碳原子形成的化學鍵同時具有sp2和sp3雜化，主要是sp2雜化，具有高模量和高強度。它的抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6。它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸，是理想的高強度纖維材料，因此“納米飛刃”在理論上是真實存在的。同時，碳納米管也是制造“太空電梯”纜繩的最佳材料。
上圖為使用KYKY-EM8100型場發射槍掃描電子顯微鏡拍攝的不同放大倍數的多壁碳納米管，掃描電子顯微鏡可以很好地觀察碳納米管的管徑、長徑比、團聚程度以及斷裂缺陷等。
在實際應用中，雖然碳納米管擁有超強的力學性能，但離產業化應用還有很長的一段路要走，除了劇中汪淼博士提到的無法量產的問題以外，還存在著切割過程中材料磨損老化與摩擦放熱等問題，這些都會造成碳納米管材料的老化，使其力學性能大打折扣，造成纖維斷裂。
現階段用碳納米管是無法完成堅硬物體切割的，目前工業上有很多硬質材料都是用切割鋼線或者更高質量的金剛線來切割。金剛線，顧名思義，跟金剛石有關，大體上是把金剛石的微粉顆粒以一定的分布密度均勻地鑲嵌在母線（一般為高碳鋼絲）上，做成的金剛石切割線。通過金剛石切割機，金剛線與被切割物體間進行高速磨削運動，從而實現切割目的。主要用于光伏領域的多晶硅切片、單晶硅、晶棒等。從晶體硅料到硅片經歷切方、截斷及切片三個環節，其中切方及截斷環節為保證切割速度及切割效率，通常用較粗線徑的金剛線，而切片環節根據原材料利用率等，選擇較細的金剛線。
圖片來源于網絡，版權歸原創作者所有
金剛線的母線，一般為高碳鋼絲，由拉絲廠家將盤條拉制為不同直徑的黃絲，再將黃絲進一步拉為微米級的母線。金剛石微粉由人造金剛石顆粒破碎而成，顆粒度一般小于50μm，是金剛線起切割作用的關鍵材料，其質量及穩定性直接影響后續電鍍工藝及成品金剛線質量。金剛石的分布密度、固結強度、切割能力、鋼線的抗疲勞性等都直接影響金剛線的性能。
圖片來源于網絡，版權歸原創作者所有
金剛線二次電子圖像
金剛線背散射圖像
金剛線截面
上圖為使用KYKY-EM6900LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡拍攝的金剛線的縱向及橫向截面，可以很好地觀察金剛線的母線線徑、金剛石微粉的大小及分布密度、鍍層的厚度、鍍層與母線的固結程度等。
科技的進步與發展離不開所有科技工作者付出的辛勞汗水，雖然現階段人類受困于科技水平暫時還無法實現所有設想，但相信總有一天，人類終會登上碳納米管纜繩搭載的太空電梯，登陸星際宇宙，挾飛仙以遨游，抱明月而長終。在漫長艱辛的科研旅程中，中科科儀掃描電子顯微鏡與您風沙星辰，永遠相伴！是您科研道路上的得力助手！
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