核心概念
纳米技术
物质
强度
工程学
导言
你是否看过超级英雄电影，其中超级英雄依赖于超强材料，例如金刚狼的艾德曼合金爪、美国队长的振金盾牌或钢铁侠的盔甲？漫画书中的科学家和工程师致力于创造虚构材料来帮助超级英雄战胜困难，而现实世界的科学家和工程师实际上已经在创造超强材料，这些材料可能有多种用途——从改进的防弹背心到更坚固的绳索，再到更轻的自行车和更好的宇宙飞船。在这个活动中，你将探索材料中分子的形状如何显著影响其强度，而你只需要纸张。谁知道呢，也许这会让你走上设计自己超能力的道路！
背景
纳米技术是在“纳米”尺度，或单个原子和分子尺度上研究材料的科学。纳米尺度到底有多小？一纳米是十亿分之一米。一根典型的人类头发大约有 100,000 纳米宽——所以一纳米真的非常小！
材料在纳米尺度上的结构可以显著改变其行为方式。例如，铅笔包含石墨，石墨由碳原子组成，这些碳原子排列成片状，可以轻松滑动。用铅笔很容易书写，因为石墨片很容易摩擦到纸上。然而，碳原子也构成了世界上一些最强的材料——钻石！在钻石中，碳原子紧密堆积在一起，使其非常坚硬，可以切割钢铁。
科学家们正在研究碳原子的另一种超强版本，称为碳纳米管，它由卷成微小圆柱体的碳原子片组成！虽然这使得单个碳纳米管非常坚固，但大规模生产碳纳米管仍然是一个挑战。在这个活动中，你将比较堆叠成片状的纸张与卷成管状的纸张的强度，以模拟片状石墨和碳纳米管之间的差异。
材料
两张高度相等的桌子、椅子或书桌
12 张纸
透明胶带或橡皮筋
塑料杯
结实的绳子或细丝带
打孔器或锋利的刀（使用刀时请在成人监督下进行。）
许多硬币，所有硬币类型相同（例如，约 250 个 1 美分硬币或约 100 个 25 美分硬币）
准备工作
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将您的两张相同的桌子、椅子或书桌并排放置，中间留有两到三英寸的间隙。
将六张纸卷成直径约一英寸的管子。使用透明胶带或橡皮筋将纸张固定成管状。
使用打孔器或刀在杯子的相对两侧，靠近顶部的边缘打两个孔。剪下一段几英尺长的绳子，将绳子的一端牢固地系在每个孔上。
步骤
将六张纸堆叠在一起，使其桥接两张桌子之间的间隙。将纸张居中放置在间隙的中间。
将塑料杯悬挂在纸张上，使绳子直接穿过纸张的中间（位于桌子之间间隙的中心），并将绳子的两端打结以固定它。仅塑料杯的重量会使纸张下垂吗？
一次一枚，将硬币添加到塑料杯中，直到纸张掉落（注意：如果在纸张掉落之前绳子断裂，重新系紧绳结或使用更粗的绳子，然后重新开始活动）。需要多少枚硬币才能使纸张掉落？纸张会发生什么变化？它是逐渐弯曲还是在中间急剧折叠？
现在，将您的六个纸管并排放在一起，每个纸管都横跨桌子之间的间隙。将纸管居中放置在间隙的中间。确保纸管彼此紧靠，中间没有空隙。
将塑料杯悬挂在纸管上，使绳子绕过所有六个纸管，并位于桌子之间间隙的中心。将绳子的两端打结。仅塑料杯的重量会使纸管下垂吗？
一次一枚，将您的硬币添加到塑料杯中，直到纸管掉落（注意：如果在纸张掉落之前绳子断裂，重新系紧绳结或使用更粗的绳子，然后从头开始活动）。需要多少枚硬币才能使纸管掉落？纸管会发生什么变化？它们是逐渐弯曲吗？它们在中间急剧折叠吗？
哪种结构可以容纳更多的硬币，是扁平的纸张还是纸管？你认为这与你在背景部分读到的关于石墨和碳纳米管的内容有什么关系？
附加题：重复此活动，但在边缘将扁平的纸张粘在一起，使其不能相对于彼此滑动。您也可以尝试将纸管粘在一起。这会如何改变您的结果？当结构粘在一起时，它们会变得更强还是更弱？
附加题：重复使用不同直径纸管的活动，例如半英寸和两英寸直径的纸管。随着纸管变大（或变小），它们可以承受更多还是更少的重量？
附加题：用您发明的其他折叠或卷曲结构重复此活动。例如，如果您将一张纸折叠成矩形管而不是圆柱形管会发生什么？ 当您改变纸管的形状时，纸管的强度如何变化？哪种形状最强？
[分隔符]
观察和结果
卷起的纸张是否比堆叠的纸张更坚固？
您应该已经发现，卷成管状的纸张比简单堆叠在一起的纸张更坚固，因此可以承受更多硬币的重量。就像铅笔石墨中的碳原子片一样，堆叠的纸张是“片状的”——它们很容易在彼此的顶部滑动，这使得它们非常脆弱，无法承受很大的重量。当一张纸卷成管状时，它会变得更坚固，即使它仍然是同一张纸。这类似于碳原子在碳纳米管中形成微小圆柱体时变得更坚固的方式。请注意，在此活动中，您通过比较纸张与纸管来模拟石墨片与碳纳米管之间的差异。虽然物理学在单个原子的纳米尺度上与“宏观尺度”（或我们习惯的日常物体的尺度）上的行为不同，但一般原理仍然相同——您只需改变材料的形状就可以显著改变材料的强度。
更多探索 探索纳米技术：折叠、卷曲和堆叠出超强材料，来自科学伙伴
纳米技术，克里斯·伍德福德在 Explain That Stuff! 网站撰写
纳米技术，来自微观世界的宏伟事物 (pdf)，来自国家纳米技术协调办公室
所有年龄段的科学活动！，来自科学伙伴
本活动由科学伙伴合作推出