材制视角 | 一根头发丝能干什么？--纳米切割
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相信不少看过《三体》的小伙伴都对“古筝行动”留下了深刻印象，表面是看似优雅的行动代号，切开来看却是一场惊心动魄的人间惨案。
此次行动简单来说就是在河两岸拉起一种新型的纳米材料，它是一种号称“飞刃”的丝状材料，通过分子建筑技术可将其粗细控制在头发丝的十分之一左右。这种细极坚韧的丝状物像刀刃一样，具有极强的切割力。当敌军的轮船通过“飞刃”时，船身和内部人员会被瞬间切断，它也被称为死亡之琴。
以下引用原文：
“审判日”号开始散成四十多片薄片，每一片的厚度是半米，从这个距离看去是一片片薄板，上部的薄片前冲速度最快，与下面的逐级错开来，这艘巨轮像一叠被向前推开的扑克牌，又像一个绊倒的服务生手中向前倾倒的一摞盘子.......切割面像镜面般光滑。
虽然它出自科幻小说，多多少少有夸张的成分，但在现实生活中，利用纳米材料进行切割和雕琢的例子不在少数，今天我们就来简单了解一下纳米切割技术。
一、高强度汇聚激光束纳米切割
原理：将一束高动能的电子打在样品靶上，会与靶内的原子作用，发生非弹性散射，令一些入射电子损失能量。其中部分损失的能量以二次电子或光子的形式逸出样品靶，另一部分损失的能量则最终转化成能量留在样品靶中，使其温度升高。
高能电子束能够使样品靶物质升温的原理早已被应用于商业设备中，如电子焊枪能用来进行电子束焊接，电子束热蒸发设备可以制备高熔点金属薄膜。
当电子束的辐照强度增加到10~100A/cm²量级时，会在样品中产生原子脱位、剥离、溅射等效应，导致样品近表面区域形成多种缺陷和非晶化。利用高强辐照的电子束已经能够将金的薄膜微桥加工成纳米桥，也能在硅表面或氧化物薄膜中制造纳米尺度的小孔。当电子束辐照强度增加到100000A/cm²至1000000A/cm²时，这个高强度电子束的作用就像切割枪一样，能够在非金属与金属纳米线上快速钻洞、切割或雕刻图案。
二、HIEB快速切割效应
它的原理与高强度汇聚激光束切割类似，在汇聚激光束切割工艺中，空间局域化的大量能量由高强度激光束通过光子-电子耦合，变为能量转移到被切物质，使其温度剧烈升高，瞬间气化。在能量密度更高的脉冲激光沉积过程中，入射激光在靶表面聚焦后的强度很高，这使得脉冲激光沉积能够适用于几乎所有的固体和液体靶材。
三、利用纳米切割技术制造三维结构
相信大家小时候都上过剪纸和折纸的美术课，这种剪切折叠艺术可以将平面的二维切口转变为三维结构，这给纳米级材料制造三维结构提供了简单途径。2018年，就有研究人员尝试使用纳米切割技术生产纳米器件，以此来操纵光。
该团队选择使用聚焦离子束将二维图案切割成几纳米厚的悬浮薄金膜。首先用聚焦离子束按照规定的路径在金属板上书写图案，然后用相同的离子束在低密度条件下照射这个断线模式，这就会从晶格中激发出金原子，产生空位，或者将镓离子从薄膜中注入。空位产生拉应力，而嵌入的镓原子产生压缩力。拉伸和压缩应力扭曲薄膜，使其弯曲和扭曲，导致三维结构的形成。
上述两种应力的结合决定了受离子束影响的顶层内的应力分布，从而使受影响较小的底层变形，不同样品位置的应力被释放，地形学通过形状转换达到平衡。所以通过地形学上的设计确定了切口的弹出，使薄膜向下弯曲或扭曲。
大多数以前的切割方法需要涉及多种材料和繁杂的工艺步骤，一般不可控也不可重复纳米级，但该纳米切割技术可以实现现场实时三维纳米加工。而且，使用纳米切割技术创建的光学设备比传统的光学设备小一个数量级，并且该方法可以制作传统纳米加工技术无法生产的更复杂的纳米级几何形状。
该技术还可以生产更复杂的光学芯片用于传感，计算，通信系统或微/纳米光子，电子和生物医学设备。
前面说了很多纳米切割的学术原理，是不是感觉离现实生活比较遥远，其实纳米材料的存在并没有那么“高高在上”，它可以说是贯穿了我们日常“衣食住行”的方方面面。
1、在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。
2、纳米二氧化钛可以作为一种添加剂，在防晒霜中应用。
3、用抗菌性纳米材料可以制作抗菌冰箱。类似纳米材料保鲜。
4、利用纳米粉末（比如二氧化钛），可以使废水彻底变成清水，完全可以饮用，进行水的净化处理。
5、将纳米三氧化二铁、纳米二氧化钛、纳米氧化锌加入涂料中，可以使墙面涂料的耐刷性提高近十倍，并且使涂料具有一定自洁能力。
6、含有纳米微粒的建筑材料还可以吸收对人体有害的紫外线。
7、纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机发动机部件的理想材料，大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。
8、纳米卫星可以随时向驾驶员提供交通信息，帮助其安全驾驶，甚至还可以在未来实现星际旅行。
其实纳米材料已经渐渐的从四面八方渗入我们的日常生活了，不管是高精尖的科技研发，还是衣食住行中提高生活质量。纳米通常都是以其极微小的存在在各个领域发挥着强大且高效的作用，一根头发丝大小的纳米材料也同样不容小视。随着科技的不断进步，目前尚未成熟的纳米技术会一步步走向未来，希望纳米材料可以支撑新兴产业的兴起与发展，从而实现纳米材料的可持续发展。
参考文献：
1、《三体I》古筝行动
2、推送文章：材料圆桌 | 从《三体》里纳米丝切割巨轮说起，聊聊纳米材料那些事
3、《Nano-kirigami cuts optical devices down to size》，由材料科技在线团队编译。
4、《电子束纳米焊接与纳米切割》许胜勇
5、图源于网络
撰 稿 人 ：科技协会科创部 张 骜 马浩然
责任编辑：科技协会主席团成员 于世龙
执行编辑：科技协会科创部 张 骜
总 编 辑： 李晓萌
