核心概念
奈米技術
物質
強度
工程學
導言
你是否看過超級英雄電影，其中超級英雄依賴於超強材料，例如金剛狼的艾德曼合金爪、美國隊長的振金盾牌或鋼鐵俠的盔甲？漫畫書中的科學家和工程師致力於創造虛構材料來幫助超級英雄戰勝困難，而現實世界的科學家和工程師實際上已經在創造超強材料，這些材料可能有多種用途——從改進的防彈背心到更堅固的繩索，再到更輕的腳踏車和更好的宇宙飛船。在這個活動中，你將探索材料中分子的形狀如何顯著影響其強度，而你只需要紙張。誰知道呢，也許這會讓你走上設計自己超能力的道路！
背景
奈米技術是在“奈米”尺度，或單個原子和分子尺度上研究材料的科學。奈米尺度到底有多小？一奈米是十億分之一米。一根典型的人類頭髮大約有 100,000 奈米寬——所以一奈米真的非常小！
材料在奈米尺度上的結構可以顯著改變其行為方式。例如，鉛筆包含石墨，石墨由碳原子組成，這些碳原子排列成片狀，可以輕鬆滑動。用鉛筆很容易書寫，因為石墨片很容易摩擦到紙上。然而，碳原子也構成了世界上一些最強的材料——鑽石！在鑽石中，碳原子緊密堆積在一起，使其非常堅硬，可以切割鋼鐵。
科學家們正在研究碳原子的另一種超強版本，稱為碳奈米管，它由捲成微小圓柱體的碳原子片組成！雖然這使得單個碳奈米管非常堅固，但大規模生產碳奈米管仍然是一個挑戰。在這個活動中，你將比較堆疊成片狀的紙張與捲成管狀的紙張的強度，以模擬片狀石墨和碳奈米管之間的差異。
材料
兩張高度相等的桌子、椅子或書桌
12 張紙
透明膠帶或橡皮筋
塑膠杯
結實的繩子或細絲帶
打孔器或鋒利的刀（使用刀時請在成人監督下進行。）
許多硬幣，所有硬幣型別相同（例如，約 250 個 1 美分硬幣或約 100 個 25 美分硬幣）
準備工作
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將您的兩張相同的桌子、椅子或書桌並排放置，中間留有兩到三英寸的間隙。
將六張紙捲成直徑約一英寸的管子。使用透明膠帶或橡皮筋將紙張固定成管狀。
使用打孔器或刀在杯子的相對兩側，靠近頂部的邊緣打兩個孔。剪下一段幾英尺長的繩子，將繩子的一端牢固地系在每個孔上。
步驟
將六張紙堆疊在一起，使其橋接兩張桌子之間的間隙。將紙張居中放置在間隙的中間。
將塑膠杯懸掛在紙張上，使繩子直接穿過紙張的中間（位於桌子之間間隙的中心），並將繩子的兩端打結以固定它。僅塑膠杯的重量會使紙張下垂嗎？
一次一枚，將硬幣新增到塑膠杯中，直到紙張掉落（注意：如果在紙張掉落之前繩子斷裂，重新系緊繩結或使用更粗的繩子，然後重新開始活動）。需要多少枚硬幣才能使紙張掉落？紙張會發生什麼變化？它是逐漸彎曲還是在中間急劇摺疊？
現在，將您的六個紙管並排放在一起，每個紙管都橫跨桌子之間的間隙。將紙管居中放置在間隙的中間。確保紙管彼此緊靠，中間沒有空隙。
將塑膠杯懸掛在紙管上，使繩子繞過所有六個紙管，並位於桌子之間間隙的中心。將繩子的兩端打結。僅塑膠杯的重量會使紙管下垂嗎？
一次一枚，將您的硬幣新增到塑膠杯中，直到紙管掉落（注意：如果在紙張掉落之前繩子斷裂，重新系緊繩結或使用更粗的繩子，然後從頭開始活動）。需要多少枚硬幣才能使紙管掉落？紙管會發生什麼變化？它們是逐漸彎曲嗎？它們在中間急劇摺疊嗎？
哪種結構可以容納更多的硬幣，是扁平的紙張還是紙管？你認為這與你在背景部分讀到的關於石墨和碳奈米管的內容有什麼關係？
附加題：重複此活動，但在邊緣將扁平的紙張粘在一起，使其不能相對於彼此滑動。您也可以嘗試將紙管粘在一起。這會如何改變您的結果？當結構粘在一起時，它們會變得更強還是更弱？
附加題：重複使用不同直徑紙管的活動，例如半英寸和兩英寸直徑的紙管。隨著紙管變大（或變小），它們可以承受更多還是更少的重量？
附加題：用您發明的其他摺疊或捲曲結構重複此活動。例如，如果您將一張紙摺疊成矩形管而不是圓柱形管會發生什麼？ 當您改變紙管的形狀時，紙管的強度如何變化？哪種形狀最強？
[分隔符]
觀察和結果
捲起的紙張是否比堆疊的紙張更堅固？
您應該已經發現，捲成管狀的紙張比簡單堆疊在一起的紙張更堅固，因此可以承受更多硬幣的重量。就像鉛筆石墨中的碳原子片一樣，堆疊的紙張是“片狀的”——它們很容易在彼此的頂部滑動，這使得它們非常脆弱，無法承受很大的重量。當一張紙捲成管狀時，它會變得更堅固，即使它仍然是同一張紙。這類似於碳原子在碳奈米管中形成微小圓柱體時變得更堅固的方式。請注意，在此活動中，您透過比較紙張與紙管來模擬石墨片與碳奈米管之間的差異。雖然物理學在單個原子的奈米尺度上與“宏觀尺度”（或我們習慣的日常物體的尺度）上的行為不同，但一般原理仍然相同——您只需改變材料的形狀就可以顯著改變材料的強度。
更多探索 探索奈米技術：摺疊、捲曲和堆疊出超強材料，來自科學夥伴
奈米技術，克里斯·伍德福德在 Explain That Stuff! 網站撰寫
奈米技術，來自微觀世界的宏偉事物 (pdf)，來自國家奈米技術協調辦公室
所有年齡段的科學活動！，來自科學夥伴
本活動由科學夥伴合作推出