第20章，原子角度打造材料

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目前摆在帝国科学家面前的第一道难题，也是最大的难题，那就是制造出能够用于曲速引擎的材料来，从原子角度去构建材料。

科学技术的发展，使得人们有可能在原子尺度上人工合成材料，例如，原子团簇、团簇材料、线性链、多层异质结构、超薄膜等，这些材料的特征是维数低，对称性减小，几何特征显著。

但也仅仅是有可能，真是实际操作起来的时候，很难真正意义上的说从原子的角度去打造自己所需要的材料，原子的单位实在是太小了，现在的科学技术顶多就只能做到纳米级别，而原子比纳米还要小的多。

首先我们要先了解下他们的大小，纳米的英文为naer，缩写为nano，纳米是长度单位的一种，1纳米是1米的十亿分之一，记作nm。

1纳米等于10个氢原子一个挨着一个排成一列的长度！因为每一种原子的直径大小都是不一样的，所以1纳米可能等于几十个其他元素原子的排列的长度。

20纳米差不多相当于1根头发丝的三千分之一！

而我们通常所说的纳米技术，是指在纳米尺度（100纳米到0.1纳米）的范围内研究物质所具有的特异现象和特异功能，通过直接操作和安排原子、分子来创造新物质材料的技术！

而纳米技术的出现首先得益于能够放大千万倍的扫描隧道显微镜（STM）的发明，扫描隧道显微镜的发明使得科学家们能够在纳米角度去观察这微观的世界。

从20世纪90年代初起，纳米科技就得到了迅猛的发展，像纳米电子学，纳米材料学，纳米机械学，纳米生物学等等新学科不断涌现，纳米科技是科学家们语言的未来改变人类历史的9大科学之一！

而事实上，当今的科学家虽然能够通过STM技术去观察原子层面的信息，并且对原子排列结构进行一定的影响。

比如1990年的4月，美国IBM的两位科学家在用STM观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用STM针尖移动吸附在金属镍上面的氙原子，将35个氙原子在镍的表面排列出5原子高度的“IBM”的结构！

而中国科学院的科学家们也利用纳米技术，在石墨的表面通过搬迁碳原子的绘制出世界上最小的中国地图，只有不到10纳米的大小！

而此后科学家们对于移动各种原子摆出各种图案乐此不彼，硅原子、硫原子、铁原子，一氧化碳分子、铁基分子……

从这里我们就可以知道，科学家们目前能够实现的就是稍微的移动一些原子，在物体的表面摆出各种图案，并不能真正意义的上对原子结构进行立体的打造和构建，同时更没办法大规模的、快速的去在原子角度打造新材料。

但是即便是这样，只能很简单的移动一些原子，在表面进行一些原子排列的构造，科学家们也制造出了如今各种纷繁复杂的纳米材料，在铜的表面对铜原子的结构进行人为的排列，也能让铜的强度增加5倍！

我们都知道金刚石也就是钻石和石墨、焦炭，他们构成的原子其实都是一样的，那就是碳原子！但是这些材料的性质却相差的天差地远，单单就硬度而言，金刚石是自然界最硬的材料，而石墨和焦炭的硬度就非常低了。

而造成这种差异的原因就是碳原子的结构，金刚石的原子结构每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的C-C键很强，所以金刚石硬度大，熔点极高；又因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。

在石墨结构中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构。

这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。

简单通俗易懂的来说就是金刚石的碳原子结构是立体的，所有的碳原子互相直接构成正四面体，是立体形式的结构！