大马士革之剑的秘密

据说,由于纳米技术的力量,大马士革之剑坚不可摧。这怎么可能呢?
12月14日

采访

Michael De Volder,剑桥大学和Magnus Sigurdsson

FORGE-SWORD

剑放在锻炉的余烬里

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碳纳米管是由石墨烯卷成的管,你可能听说过石墨烯。它们比钢强得多,但比钢轻得多,使它们成为一种非常有趣的材料。虽然碳纳米管听起来像是一种新的时尚,但它们实际上可以追溯到很久以前。传说有一把具有神秘属性的剑。铁匠Magnus Sigurdson向我们讲述了大马士革之剑的故事,来自剑桥大学的材料工程师Michael de Volder亲自向Sally Le Page和Katie King解释了这个神话背后的科学……

有很多关于理查国王与萨拉丁的第三次十字军东征的故事。他们决定比较剑刃。狮心王理查拿出他的法兰克钢剑,砍断一英寸厚的铁条,刀锋毫发无损。然后萨拉丁拿出他的较轻的剑,闪耀着蓝灰色的效果。仔细看叶片,它看起来像一个星光灿烂的夜晚,在一个荡漾的池塘。拿着这个,他拿出一条丝巾,一挥就把它剪断了。理查国王发誓他从没见过这么锋利的剑。

莎莉-好的。我不想撒谎。这是一个很棒的故事。但是这些和碳纳米管有什么关系呢?

凯蒂:有很多猜测,但几年前,这种神秘的神奇材料,大马士革钢被发现含有碳纳米管,他们认为可能是这些纳米管使这把剑如此坚固。

莎莉:所以你告诉我,你在节目一开始就把纳米技术吹捧为一种新的、“前沿的”东西,而实际上我们已经用了一千年了。

凯蒂:这些结构确实存在了一段时间,但直到最近我们才能够控制我们如何制造这些结构,从而控制它们的性质。

这方面的专家是剑桥大学材料工程师迈克尔·德·沃尔德(Michael de Volder),他专门研究碳纳米管。迈克尔,是什么让大马士革的钢铁和萨拉丁的剑如此强大?

Michael -我不确定有没有人知道但是正如你提到的2006年人们发现的,通过把大马士革剑溶解在酸中,里面有碳管。这就带来了两个谜团。碳管一开始是怎么进去的?他们对钢铁做了什么使其变得更好?

莎莉:没错。我认为碳纳米管是一种现代的、奇特的东西,你需要一个实验室来研究。那么多年前纳米管是怎么进入那里的?

迈克尔:为此,我们需要了解碳纳米管是如何制造的。虽然它们听起来很奇特,但实际上它们的合成很像园艺;你们都做过的事。园艺需要种子,需要来自太阳的能量,还需要土壤和肥料来让植物生长。在碳纳米管的例子中,这些种子是小的金属簇,通常是铁。你喂它们的食物将是碳氢化合物,而不是土壤。然后你需要一些热能。如果你想想一把剑是如何制成的,就会发现钢中含有大量的铁,这些铁就像种子一样连接在一起。你把它们加热到高温,这也是碳纳米管所需要的。接下来的问题是制造纳米管的碳源从何而来,结果是在大马士革剑的配方中,人们在制造的过程中确实向钢中加入了各种各样的树叶和木头,这很可能是制造纳米管的碳源或碳源之一。

莎莉:所以他们知道,他们知道他们添加了这些叶子,最终得到了更坚固的钢,但显然他们不知道他们在制造这些碳纳米管,但他们还是这样做了。

迈克尔:没错。很多时候,发现都是机缘巧合,人们做事情时并不一定知道它们是如何形成的。

萨利:是什么赋予了碳纳米管强度?为什么他们在你的钢铁中使你的剑如此坚固?

Michael -石墨烯等材料中的碳原子之间的键,本质上与碳纳米管的表面相同,是一种非常特殊的键,在机械上非常牢固。它还允许碳原子共享电子并使材料导电。这是碳纳米管中碳原子之间的一个非常非常特殊的键。

莎莉:这些管子有多长?我的意思是,我们称它们为纳米管,所以显然它们的直径很小,但它们能长到什么程度呢?

迈克尔:这是个非常有趣的问题。在大马士革剑中发现的碎片,我看过它们的图片,相当短,但目前单纳米管长度的世界纪录是大约半米长。

莎莉:那不是纳米,但它只有几个原子宽,半米长。

迈克尔-没错。直径很小。地球直径与网球直径之比,大约等于网球直径与纳米管直径之比。虽然它很长,但它的直径仍然是纳米级的。

莎莉:我们还在用纳米管吗?它们是否仍然有用,还是只是一种营销时尚?

Michael -当碳纳米管被发现并寻找应用时,它们经常作为营销工具被广告用于体育用品等。但后来人们开始发现很容易将它们用作添加剂,比如聚合物,然后使它们导电。这在汽车应用和其他一些应用中取得了巨大的商业成功。如果你想给汽车喷漆或在油箱中使用某些塑料,根据法律,这种材料需要导电,那么制造导电塑料往往是非常有趣的。

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