如何制造出钢铁侠的纳米战甲?

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如何制造出钢铁侠的纳米战甲?

图片:《钢铁侠》

如何评价《复仇者联盟3》中钢铁侠的纳米战衣?

复纳科技,聚焦先进的技术,让科学家看到未来

在钢铁侠已有战甲的基础上如何实现纳米战甲技术?

看过《复仇者联盟 3/4》的小伙伴们都会对钢铁侠的那套纳米战甲印象深刻,这套纳米战甲平时隐藏在西服与反应堆中,需要时会迅速释放覆盖全身,必要时也可在局部集中,形成如“盾牌”,“铁锤”之类的功能器件。正是在这套战甲的助力下,我们的托尼才能和灭霸打得有来有回。

灭霸,吃俺纳米脚!

在漫画中,这套马克 50 战甲被称作“血边战甲”,国外大神 Phil Saunder 利用电脑合成技术为我们展现了这套纳米战衣的运作原理。整个战甲的形成可分为四步:

  1. 纳米粒子从西服释放,然后迅速包裹全身
  2. 形成神经网络(控制系统)
  3. 纳米骨架构成
  4. 形成仿生肌肉组织结构(这是区别与之前战甲的主要特色)
正所谓穷人靠变异,富人靠科技,咱们 Toni 老师连衣服都不需要自己穿

可见,纳米战甲材料并不完全从中央的弧形反应堆释放,托尼西服的每个部分都会储存一部分纳米材料,需要时会迅速渗出。而为了保证纳米材料的高度定向,该战甲内置了 F.R.I.D.A.Y 操作系统,可实现战甲与西服间的自由切换。

打造战甲有可能吗?

那么,我们如何才能打造一套这样酷炫的战甲呢?当我们想要将科幻变为现实时,总是需要考虑多方面的因素,钢铁侠的战甲所必须的技术:可控核聚变、飞行系统、减震系统等目前的科技水平尚无法满足。

简单的来说,等下辈子吧!

所以,像钢铁侠一样翱翔天空还是一个梦想,但这并不妨碍我们先 DIY 一个战甲过过瘾!科幻不完全遵从科学,这才使得我们能够产生天马行空的想法。我们就先假设钢铁侠的战甲技术已经存在且已成熟,而我们要解决的是:

如何实现纳米技术在战甲上的应用,即实现纳米战甲技术

事实上,光纳米技术的应用都够写几十万字的综述了,想要应用在战甲中,我们需要考虑的是二者如何结合。


首先我们需要了解:何为纳米技术?

纳米技术(nanotechnology),也称毫微技术,是研究结构尺寸在 1 纳米至 100 纳米(1 nm= 10-9 m)范围内材料的性质和应用的一种技术。我们肉眼的极限分辨率 0.1 mm,而一根头发丝厚度为 0.003 m,一个原子的大小在 0.1 nm 左右,所以纳米科学是关注极小尺寸的科学。

这么细的纳米技术,你拿捏不住

当材料接近纳米尺寸时,其多种性质会与宏观材料不同,如铜在宏观下导电,但到了纳米尺度,其导电性能可能就会消失,又如磁性材料,在纳米尺寸时其磁性可能是宏观状态下的上千倍。

但具体到实用,纳米材料存在一个巨大的技术难题:团聚(可以想象成纳米颗粒想家了,结果团聚到一块变成大颗粒)。团聚造成的影响便是纳米颗粒突然长大变成块体了,这意味着以前的功能完全丢失。

团聚的粒子:盐巴受潮结块

而就目前的技术,想要把储存的纳米材料迅速分散沉积在基底表面较为困难,等纳米材料均匀的沉积好,我们的钢铁侠估计早被灭霸揍趴下领便当了。

可怜的托尼,脸面具都被灭霸打没了

在作战过程中,钢铁侠的纳米粒子捉襟见肘,拆了脚上的补手上,最后脸上的铠甲都没了。


如何拯救我们的 Tony 老师,给他不断供应纳米粒子呢纳米澡堂法

有一个法子,给钢铁侠准备一个装满纳米粒子的大罐子,每次作战前,跳进去泡一泡,出来后利用盔甲自身的能量进行退火处理,增强纳米涂层的结合力。这种工艺结合了化学合成中的溶胶凝胶法(Sol-Gel)和我国北方澡堂文化,将科学研究与民俗生活有机结合,为保护地球免遭外形侵略做出了杰出贡献。

斯塔克工业澡堂欢迎您

溶胶凝胶法以及水热法都是常用的纳米粒子合成方式,通俗的解释,就是把菜品(前驱体)制备成果冻一样,再经过“煲汤”(水热法)或“烤箱”(烧结炉)等热处理工艺得到的美味佳肴(纳米材料)。所以,你可以把我们的钢铁侠当作“涮羊肉”里的羊肉,需要丢到“纳米火锅”里涮一涮。有时候化学和做菜其实很像。

所谓的纳米粒子溶液就是把颗粒分散在液体中

当我们准备好纳米粒子溶液后,就可以把我们的钢铁侠同志丢进去了!

斯塔克火锅店开业了

如果配上奇异博士的实时传送功能,托尼在复仇者联盟基地建一个纳米澡堂,需要时让博士把自己传回去,这样就能及时补充所需的纳米材料,泡完“纳米澡”又是一条好汉。毕竟,有了无限纳米材料的加持,钢铁侠还是有一战之力的。

真正的无限纳米战争,从一个纳米澡堂开始

当然,泡澡还是需要花费时间的,稍不注意,队友就团灭了。一个有效的办法是给钢铁侠配备一个大罐子,托尼需要的时候在战场即可随时补充纳米颗粒,当粒子消耗完,可由博士传回纳米澡堂实时补充,毕竟钢铁侠也叫铁罐嘛,画风大概是这样:

背负宇宙的命运,我就是来自风之国的铁罐

Emm~好像画风有点不对,怎么这打扮这么熟悉。

你这个没眉毛的怎么跑去当钢铁侠了

当然,我们现在已经想出了补充纳米粒子的办法,另一个问题就是什么样的纳米材料可以作为我们的战甲材料呢。

事实上,纳米澡堂只能作为补充纳米粒子的办法,并不能直接在钢铁侠的战甲外表面形成均匀的纳米铠甲。


纳米机器人来啦

目前比较理想的方案是采用纳米机器人技术。纳米机器人是根据分子水平的生物学原理设计,实现对纳米空间进行操作的功能型纳米器件,由诺贝尔奖得主理论物理学家理查德 - 费曼率先提出这一概念。

其最典型的应用就是利用纳米机器人进行人体的疾病治疗以及自我修复,如消除体内的肿瘤细胞,进行微创手术等。纳米机器人的定义与真正的机器人有较大的区别,小到一根纳米棒、纳米管,都可以称作纳米机器人,发展到现在,第三代纳米机器人需要实现机器人的操控与迁移,还需要为机器人添加微型芯片以及驱动装置。

纳米机器人的定义即功能

目前已知最先进得半导体加工工艺当属 ASML 的光刻机了,而纳米机器人现在的尺寸最小可控制在几百纳米,在某一维度可能只有几十纳米,加工难度极大,同时还要考虑芯片与纳米材料的组装工艺。

纳米机器人清楚肿瘤细胞

驱动纳米机器人有很多方式,电场、磁场以及超声场都已被证明可用于操控机器人。国外甚至有的科学家打起牛“精子”的主意,用碳纳米管套住精细胞头部,留出可自由活动的尾部,利用精细胞较强的活力以及穿透细胞壁的特性,将药物直接运输至肿瘤细胞处释放,有助于癌症等疾病的攻克。这些精细胞也算是救人一命胜造七级浮屠,祝他们下辈子得冠军。

精细胞驱动的纳米机器人

在很多影视作品中,纳米机器人都曾大放异彩。《哥斯拉大战金刚》中,我们领略了我们的骷髅岛靓仔与哥斯拉的对决,一雪被金刚测核酸的前耻。

吃我咽拭子

而其实更早的时候,我们的哥总就和纳米机器人展开过生死决战。在影视作品《哥斯拉·决战机械增殖都市》中,人类被史上最强哥斯拉打得一度逃离地球,在夺回家园的作战中,一种可以完成自我增殖的纳米金属成为了人类战胜哥斯拉的唯一希望,这种纳米金属其实就是一种能够吸收有机生命体的纳米机器人,具备治愈及强化的能力,但同时也会改变宿主的生命体征。

300 米最强哥斯拉对战纳米机器人

因此,使用纳米机器人可以很好的解决钢铁侠战甲的纳米战甲供应问题。我们总结目前的问题,对于纳米战甲的改进建议与要求如下:

我们的战甲需要:

1 快速实时合成纳米材料

2 将纳米材料快速运输至身体的各个部位组装

3 当机器人损失量过大时可实时进行补充

由于战甲的纳米材料需要经历各种极端环境,所以利用“小蝌蚪”进行输送显然不可能。一个可行的技术方案便是选用芯片控制,将成品芯片组装在纳米材料之中,通过钢铁侠战甲的控制系统输送至西装的各个部分存储,需要时释放。或者,将纳米材料运输至芯片处进行组装。


最后一个问题是,纳米粒子的输送怎么解决?

要实现纳米机器人的实时组装,选用湿法合成不太现实,额外的液体存储会增加人体负担;比较理想的方式是使用气相沉积包覆的制备方式,可直接利用空气,不需增加额外重量。

气相沉积又分为物理与化学两种方式,化学法的优势在于可调控性更强,但缺点是速度慢,同时在战甲内储存各种各样的化学试剂对于使用者本人也有安全隐患,另外所有的前驱体试剂需要通过加热蒸发后进行反应,这也无形之中增加了隐患。

化学气相沉积可以通俗的理解为“蒸桑拿”,通过将化学试剂变成蒸汽,从而在基底表面形成涂层。想一想也知道身上随时背着很多化学试剂有多么危险了。

化学气相沉积就是蒸桑拿,只是这个蒸汽不是水,而是各种化学试剂

相比之下,物理法虽然调控性不强,但效率更高,且制备方法更简单,集成在战甲上的可行性更高。当今常见的物理气相沉积(PVD)方法包括:热蒸发、磁控溅射及电弧等各类气体放电法。有意思的是钢铁侠电弧反应堆正好可以为气体放电提供需要的能量,气体放电可在真空或常压条件下实现,能满足钢铁侠上天入地的作战需求。钢铁侠只需要在身上存储必要的靶材,即可在必要的时候将其通过 PVD 的方式转化为纳米颗粒。

溅射法就是典型的物理气相沉积镀膜技术

PVD 方法虽然能够快速获得良好的纳米薄膜,但问题在于这些方法大多数都是在真空条件下进行的。总不能把钢铁侠内部做成真空吧,因此这种方案也不太可行。但 PVD 提供了一种理想的思路,即在纳米粒子足够时,将原料以靶材的方式储存,当需要时,即可通过 PVD 的方式转化成纳米粒子。 毕竟,带几根铁棒比背一个大铁罐轻松多了。

PVD 使用的靶材,这种原料可方便的储存在钢铁侠身上

纳米打印技术

天无绝人之路,如果能在大气压下实现纳米粒子的输送,即可有效解决纳米粒子的补充难题。

荷兰VSParticle的公司将在线制备纳米粒子与 3D 打印技术结合,或许是现在唯一可行的方案。所有芯片事先通过 F.R.I.D.A.Y 系统导航至西服的各个位置,后续产生的纳米粒子则利用气体运输至芯片所在处进行包覆组装甚至打印。

这种方法利用火花放电技术,两根靶材电极利用在常压条件下便能实现纳米粒子的制备,而纳米粒子分散在气体中形成气溶胶,可任意输送至任意位置。这种方法可以通过战甲直接利用空气,也解决了粒子的输送难题。

通过火花放电,“铁棒”被转换成纳米颗粒

VSParticle 纳米粒子发生器 https://www.zhihu.com/video/1425780926219956226

巧合的是,这种气体放电的反应室正好可以集成在钢铁侠胸前的电弧反应堆中。根据电影设定,这种新型反应堆全称“等离子弧反应堆”,其原型为一种 Tokama 核聚变装置,利用通电产生的强磁场产生的高温等离子体引发核聚变反应,而火花放电利用的是低温等离子体对靶材进行加热。一般可控核聚变的温度都在几亿摄氏度以上,而火花放电最高只有 20000K 左右。所以,两种技术具备较好的兼容性,核聚变放电的温度足够进行纳米粒子的生产。在《钢铁侠 2》中,钢铁侠差点就因为钯中毒一命呜呼,就是因为高温等离子体烧蚀靶材时产生了较多的纳米钯,无处排放最终进入血液。

左为钢铁侠的初代反应堆;右为新一代反应堆

所以,由于核聚变反应堆不需要金属烧蚀,这部分消耗的靶材可以通过气体运输成为纳米机器人的材料来源。毕竟,贵金属靶材对于钢铁侠来说根本不算钱。

把火花放电和钢铁侠结合在一起效果还不错

由于火花放电可以在大气压下进行,这就为气流输运提供了可能。我们可以利用气体将材料输送至芯片表面进行包覆或直接打印图案。现在的打印技术已经实现了多喷嘴工作,对复杂图案的加工技术也日臻成熟。因此在输送过程中将纳米粒子进行组装升级为纳米机器人便水到渠成。

气溶胶打印可以将纳米粒子轻松输送到铠甲外围

最新的研究表明,通过电场的牵引引导,可以将火花放电产生的颗粒进行精细结构的打印沉积。 这种技术又被称为“法拉第”3D 打印。

电场线化身神笔马良牵引带电颗粒

由于该方法精度较高,钢铁侠可以通过电场控制在表面形成特殊化的纳米机器人结构

利用电场线打印的多组分合金纳米结构

当我们的纳米机器人完成组装后,在控制系统的控制下,纳米材料就可以表现出不同的性质。事实上,10nm 左右的金属颗粒,甚至会表现出液体的性质。在这一领域,我国的研究者们已经走在了世界前列,东南大学的团队利用原位电镜研究了银纳米颗粒的液相性质,在具备流动性的同时保持了高度的结晶性,简而言之我们的纳米颗粒就像猫一样,是液体做的。同时,该团队利用电子束辐照实现了二维纳米材料的自我修复。

被灭霸打爆的纳米铠甲真的可以自我修复,图为电子显微镜下材料缺陷的辐照修复

同样的,在电影中纳米铠甲根据使用者的意愿可以改变形态。我国的浙江大学的课题组利用原位研究也发现了纳米颗粒在不同的气体氛围及温度加热下会出现形状的变化,甚至捕捉到了纳米金颗粒的旋转过程,相关成果发表在 Science 上。也许有朝一日我们真的能见到电影中的纳米修复及纳米护盾技术。

纳米粒子不安分,来给皇叔伴个舞

纳米战甲离我们还很遥远

综上所述,制造一套钢铁侠战衣几乎动用了现在所有的前沿科学技术,需要各学科的交叉研究与支持。怪不得钢铁侠本人拥有物理学及工程学博士学位及多个硕士学学位,同时,最最要的,你还要有钱!!

看我钞能力

也许钢铁侠的技术离我们还很遥远,我们也可能永远成为不了钢铁侠,但至少我们看到,仍有那么多的科研工作者在为此奋斗着,哪怕初衷不是造就钢铁侠,也为我们社会的发展做出了重大的贡献。每一位科研工作者,都是值得尊敬的钢铁侠!


参考资料

[1] ironman.fandom.com/wiki

[2]Magdanz,V., Sanchez, S., & Schmidt, O. G. (2013). Development of a sperm-flagelladriven micro‐bio‐robot. Advanced Materials, 25(45), 6581-6588.

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