《三体》中的纳米飞刃真实存在？中美学者发现迄今最刚最强物质

2023-05-02 03:05

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在刘慈欣的科幻作品《三体》中，汪淼教授研究出具有超高力学性能的纳米材料“飞刃”，可削铁如泥。在古筝行动中，当地球叛军巨轮“审判日”号经过巴拿马运河最窄段时，横跨两岸的五十余根纳米材料“飞刃”将其切成了数十片薄片。科幻小说里的脑洞给读者留下了十分深刻的印象。那么，现实世界中是否有存在类似“飞刃”的终极梦想材料呢？近期，中美学者联手确定了材料刚度与强度的理论上限，并发现迄今最刚最强物质。相关物质大幅超越金刚石、碳管、石墨烯等经典高模量高强度材料，且接近于刚度与强度的理论上限，有望将科幻梦想照进现实。

杨氏模量是衡量材料刚度的物理量，同时可为估算材料理想强度提供重要参照。高模量高强度材料在现代工业领域至关重要，例如，金刚石被誉为“工业牙齿”，其人工合成六十余年来，对现代制造业的建设和发展具有重大支撑作用。然而，杨氏模量提出两百年来，其理论上限仍未确定，引发巨大争议与迷茫，诸如是否存在比现有材料更刚、更强的物质？材料究竟可以多刚、多强？人类是否已经接近材料力学性能的边界？

近期，中美学者从化学键刚度、密度和取向度的理论极限出发，建立了极致杨氏模量的微观物理模型。通过理论推导，他们得出了极致杨氏模量和比杨氏模量的理论表达式。通过遍历元素周期表数据，确定了杨氏模量与比杨氏模量的理论上限分别为3074 GPa和1036 GPa·g^-1·cm³。此外，他们还根据杨氏模量的理论上限及其与其他力学性能的关联关系，确定了声速的理论上限(37 km/s)以及抗拉强度的理论上限(抗拉强度384 GPa与比抗拉强度130 GPa·g^-1·cm³)。相关研究确定了杨氏模量等力学性能的理论极限，而现有材料的部分力学性能记录与理论极限相比仍有较大差距，这启示着发掘新型超高力学性能材料仍有创新研究空间。

为此，他们基于前期数据驱动发现的极致杨氏模量物质结构组分特征(Chem. Mater., 2021, 33: 1276)，进一步开展理论设计。他们基于硼、碳、氮等轻质元素组合设计出大量物质结构，并从中筛选出多种化学性质稳定且力学性能突破现有纪录的晶体结构。其中，限域线性碳晶体的杨氏模量高达2973 GPa，接近于杨氏模量的理论极限(3074 GPa)；线性氮化碳晶体的比杨氏模量和比抗拉强度分别高达1032 GPa·g^-1·cm³和108 GPa·g^-1·cm³，大幅超越了金刚石、石墨烯、碳纳米管等已知高模量高强度材料(约2倍以上)，并且接近于比杨氏模量和比抗拉强度的理论极限(1036 GPa·g^-1·cm³和130 GPa·g^-1·cm³)。相关研究揭示了材料力学性能的理论边界，显著突破了现有材料力学性能记录，拓展了对材料刚度与强度的认知。极致力学性能物质的发现也将《三体》中虚构的纳米飞刃梦想进一步照进现实。当然，从理论研究到实际应用仍有较大距离，但相信上述理论成果将为进一步实验研究极致力学性能物质提供了重要指引。

相关工作近期发表在Advanced Science和Physical Review Applied上，论文题目分别为“The Stiffest and Strongest Predicted Material: C₂N Atomic Chains Approach the Theoretical Limits” (《预测最刚最强材料：接近理论极限的氮化碳原子链》)与“Exploring the Bounds on the Young’s Modulus and Gravimetric Young’s Modulus” (《探索杨氏模量与比杨氏模量边界》)。武汉大学高恩来副教授为两篇论文的第一兼通讯作者，共同通讯作者还包括美国德克萨斯大学达拉斯分校教授Steven Nielsen和Ray Baughman。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202204884

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.014044

作者简介：

高恩来，现任武汉大学力学系副教授/博士生导师，在基金委与军科委支持下，主要从事固体力学研究。他先后确定了若干重要力学性能的理论边界，设计制备出若干极限力学性能物质。相关成果在Matter、Nature Communications、PRL、JMPS等发表SCI论文70篇，被他引两千余次。相关研究工作详见课题组网页：http://enlaigao.whu.edu.cn/

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