逍遥学能 2017-05-05 09:11
大象如何站在铅笔上 由物理网资料整理
当象宝宝的体重集中在铅笔的笔尖上时，产生的压强能将下面的石墨烯刺穿吗?
这是@qikipedia在9月1日发的一条推特全文：“一层保鲜膜那么厚的石墨烯，就需要一头大象站在铅笔上才能刺穿。”一番侦查工作显示， 这个说法源自哥伦比亚大学的机械学工程教授詹姆斯·霍恩(JamesHone)，他在2008年说过：“我们的研究证明，石墨烯是人类所知的最坚韧的物质，比结构钢还坚韧200倍左右。仅仅一层赛伦保鲜膜(SaranWrap)那么厚的石墨烯，就需要一头大象站在铅笔上才能刺破。”这位教授的宣言引发了一系列问题，第一个问题：“什么是石墨烯(graphene)?” 微软的Word就不知道——它一个劲地在graphene底下画红色波浪线，那意思是“你要写的是不是‘grapheme’(字母)?”(当然不是，尽管 我的确在这个页面上堆满了各种字母。)
幸好，维基百科总算是收录了对于石墨烯的定义，它来自安德烈·盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(KonstantinNovoselov)合写的一篇论文——这两位就是因为对这种神奇物质的研究获得了2010年度 的诺贝尔物理学奖。他们的定义如下：“石墨烯是一种紧密折叠成二维(2D)蜂窝状栅格结构的平坦单层碳原子(原文如此)，也是构成其他各种维度石墨材料的 基本成分。它可以压缩成0D的富勒烯，翻卷成1D的纳米管，或者堆积成3D的石墨。”请自行想象一张铁丝网，再将网上的每个节点替换成一个碳原子，你想象 出来的这个怪东西就是石墨烯了。(好吧，是虚拟的石墨烯。)
霍恩教授是宁愿设法将几层石墨烯折叠成保鲜膜的厚度，也不愿意为我接下来的问题费心的。那么善良的读者，我就把这些问题都留给您吧，我们这就开始。
首先，那支铅笔是垂直的还是水平的?就权当它是垂直的吧。这样一来，那头大象的全部体重就都集中在石墨烯的一点上了。水平的铅笔在多数状况下都是没有用处的，比如躺在铅笔盒里时，除非是在墙壁上写字。
其次，那支铅笔是用什么做的?普通的铅笔头不可能承受大象的体重。那么答案肯定是卷成巨大纳米管的石墨烯。(对纳米管来说大得过分了，但对铅笔来说正 好。)制笔的时候不妨在石墨烯卷里加入一根较细的石墨柱体，这样就真的可以书写了，可那样又太学究气了一点。(不过话说回来，不能写的还能叫铅笔吗?大概 不行吧。有人跟我说过我不能写，而我也显然不是一支铅笔。)
总之，我们现在有了石墨烯保鲜膜和石墨烯铅笔。下一个问题是：那头大象要怎么弄到铅笔上去?且慢，稍等片刻。这大象是体重11 800千克的非洲象呢、还是体型较小、仅重5 440磅的亚洲象?
这两种动物不光是体型不同，性情也大不一样。你或许可以安然无恙地让亚洲象表演这个特技，但我是不会试图让一头非洲象站上一支铅笔的，尤其是一头公非洲 象。它或许无法将石墨烯的铅笔压断，但十有八九会奋力抗拒，把实验室整个摧毁。其实仔细想想，我们对那头大象的了解并不算多。它是一头成年象，还是一头象 宝宝?要站上铅笔的话，一头亚洲象宝宝是最容易的选择。另外，大象接近石墨烯的时候，研究人员有没有播放美国作曲家亨利·曼西尼(HenryMancini)的《小象进行曲》(Baby ElephantWalk，这是亨利·曼西尼为影片《哈泰利!》所作的插曲)?如果没有，是为什么?毕竟这样的机会可不是天天都有的。
当象宝宝的体重集中在铅笔的笔尖上时，产生的压强能将下面的石墨烯刺穿吗?如果实验需要的是一头成年非洲象，那么我很怀疑那头104千克的象宝宝是否够 重。如果那头可爱的小象把全部重量都压在那支强度卓绝的纳米铅笔上，那么保鲜膜或许没有问题，小象倒怕会撑不住——铅笔会在可怜的象宝宝身上扎个洞，并整 个陷进它的肉里。这下，就会有一头受伤的亚洲象宝宝在你的石墨烯上血流不止，一头象妈妈在一边气得发疯，一群善待动物协会的人在外面大声抗议了。
我们最终还是得挑选一头完全长成的亚洲象，它的身上要包裹一层保护性的石墨烯，它的象腿站在石墨烯的铅笔上，在石墨烯的薄膜上保持平衡。而且不像这篇专栏，它还不能偏离中心。