技术领域数字世界/做中学问不倒

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坚固的世界 大象和老鼠都是灰色的，但大象并不是一只大老鼠。如果我们把老鼠放 大50倍，可以得到一只和大象差不多大的动物，但是这个动物却无法站立。 这表明，材料和物体的力学性质(使用建筑学的术语就是“结构”)很大程度 上取决于他们的大小。用来描述这种力学性质的词汇非常多。我们可以说一 种材料或一种物体是“坚固的”、“牢固的”、“刚性的”、“坚硬的”， 或者相反，“脆弱的”、“柔软的”等等。这种形容词都是比较模糊的。比 如“脆弱的”这个词，经常被看做是“不坚固的”同义词，而“坚硬的”经 常被用做“坚固的”同义词。而实际上，这些同义词的含义不尽相同。 首先来区分强度和刚度。强度是材料或结构经受压力或变形的能力，而 刚度则是受外力作用的材料或结构抵抗变形的能力。这是两个完全不同的属 性。烧制过的陶器很坚硬却不坚固，而用来攀登的绳索不坚硬(在下跌过程 中它能够拉伸超过50％)却很坚固。我们如何根据材料的化学属性和物体的 大小来确定它们的刚度和强度呢？为了避免混淆，必须预先设定前提条件。 例如，我们试图比较玻璃纤维和尼龙纤维的属性，但因为二者的直径不同， 是没有可比性的。如果我们只满足于思考作用力、拉伸和断裂之间的关系， 也可能无法得出正确的结论。从本质上来说，一根粗纤维比细纤维更难变形 。为了避免这种影响，最佳的方法是计算相对大小。与其直接考虑力的大小 ，不如考虑每平方米纤维切面上所受的力。这种单位面积上受到的力被称为 “应力”。同样的道理，我们也考虑拉伸的总长度，计算拉伸前后长度的比 例(一般以百分比表示)。这就是“变形”。应力和变形之间的比例是测量物 质材料刚度的一种方法，也就是“杨氏模量”。 在微观层面上，刚度是原子间化学键的直接反应。材料中的原子数量多 且连接紧密，这就是一种刚性材料。钻石，一种碳元素组成的结晶体(人们 可以用钻石生火取暖)，就是最好的例子。这些碳原子键非常牢固，因为所 有的原子共同使用它们的外层电子，这就是共价键。相反，石蜡却很柔软， 因为石蜡分子只受范德瓦尔斯力作用，每个原子扭曲变形为电子云。由于刚 度是原子和分子间作用力的直接反应，与物体的大小没有直接关系，生日蜡 烛和宗教仪式上使用的大蜡烛，它们的杨氏模量是一样的。 强度就不同了。第一感觉是：强度也是由组成物质的原子或分子间的数 量和作用力决定的。在测量中可能出现某些瑕疵，由于是“纳米级”(以纳 米为单位)的，不容易被发现，这里或那里漏了个原子，或者原子数量过多 ，位置被其他原子固定了。放大了看，就是一个小窟窿、一条裂缝或者表面 的一道伤痕。玻璃是一个很好的例子，它应该非常坚固，但事实并非如此。 普通玻璃中的硅原子和氧原子十分稳定，但是，我们做强度试验时，可以在 显微镜下观察到玻璃表面的划痕。这就是玻璃碎裂的原因。瑕疵越大，越容 易发生破裂情况。这就是为什么玻璃很坚硬，但十分易碎。从某种特殊角度 来看，强度不是材料物质内部属性的反映，仅是一种昂贵的测量物体瑕疵的 方法。让我们回到纳米世界吧，因为准确地说，物体越小，含有大的瑕疵的 可能性就越小，也就更加坚固，就是这么简单！长期以来，人们一直认为玻 璃纤维越细越坚固，但对此的认识受限于技术水平的发展。随着纳米材料的 出现，将会出现难以置信的高强度的材料。最典型的例子是碳纳米管(NTC) 。顾名思义，这是一根直径2纳米的管子，管壁由一层碳原子组成，比如六 角形晶体石墨层(由碳原子组成的另一物质，之前我们已经提到过钻石)。一 个纳米管可以看成是由原子堆积起来的石磨层。位于内部的碳原子化学键比 我们已知的其他材料更加坚固。因此碳纳米管的抗拉强度将在很长时间内保 持世界纪录。 由于纳米管的直径只有2纳米，缺陷率非常低，事实上这是众所周知最 坚固的物质。但这还不是全部，碳原子很容易重新分配电子，改变化学键的 几何形状。这种能力使石磨层可以包裹住结构同样紧密的材料，使纳米管在 受到强烈的挤压、弯曲时仍然保持其刚度，内部结构也不会遭到破坏。 纳米纤维也能激发起人们的想象力，其中最前沿的就是太空电梯。与其 每次消耗大量的航空燃料来发射火箭或者宇宙飞船，为什么不建造一座连接 地表和地球轨道卫星的电梯呢？这是一个很棒的想法，问题是，除了纳米管 ，目前没有已知的物质能够在如此长的距离内承受得住自身的重量。而且还 必须制造出如此之长的纳米管，这与现实还是有较大的差距。无论如何，纳 米管已经能帮助实现很多其他方面的梦想。如在法国波尔多的保罗一帕斯卡 研究中心，人们制造出了能吸收能量的纤维，这种纤维是制作防弹衣的最好 材料。纳米材料提供了许多其他的可能性。在金属领域，通过压缩纳米粒子 ，可以在室温下得到超级坚硬的金属，其中包括超强耐用的剪刀和威力强大 的武器。每个纳米粒子之间的边界都是使之变形的障碍。在陶瓷领域，则可 以在低温条件下(-1000℃)制作塑料陶瓷。每个纳米粒子被周围的粒子包围 ，就像在潮湿沙土中的一粒沙子。 P17-19