Was ist die Amputationsfähigkeit einer monomolekularen Drahtwaffe?

Graphen ist das, wonach Sie suchen.

Mit einer Zugfestigkeit von 130000 MPa hat es (IIRC) die höchste Zugfestigkeit der Welt.

Also lasst uns ein drahtdünnes Schwert machen!

Ich stelle mir vor, dass es wahrscheinlich so aussehen wird:

      >----------------------------------------------<|
|||||||                                               |
      L_______________________________________________|

wobei das -------die Klinge darstellt und das <|die Spitze, mit der das andere Ende der Klinge verbunden ist, und das ||||>einen Griff darstellt. Es ist wichtig zu beachten, dass der Draht durch das <|Stück am Ende der Klinge straff gezogen wird. Das L____|stellt eine ähnliche Struktur wie eine Metallsäge dar, um die Drähte fest zu halten.

Dies ist eine Hieb-/Hackwaffe .

Wie/Warum funktioniert das?

Der "Graphendraht" ist wirklich ein Graphenband

Graphen selbst enthält elastische Eigenschaften, was beim obigen Konzept des Schneidens hilft. Selbst wenn das Graphene nicht sofort schneidet, hilft ihm die Elastizität, weiter zu schneiden, während Sie die Klinge durch Ihr Ziel schwingen. "Graphenblätter (mit Dicken zwischen 2 und 8 nm) hatten Federkonstanten im Bereich von 1-5 N/m und einen Elastizitätsmodul (anders als der von dreidimensionalem Graphit) von 0,5 TPa."

Graphen hat auch eine erstaunliche Scherfestigkeit. Der Schermodul von Graphit wurde mit ~0,44 TPa angegeben. Um Ihnen etwas Kontext zu geben: Die Scherfestigkeit einer Kohlenstoff-Diamant-Struktur beträgt ~93 GPa. 1 TPa sind 1000 GPa.

Um deine Frage zu beantworten: Ja, das kannst du.

Da der menschliche Körper so variabel ist, kann ich leider keine tatsächlichen Zahlen darüber finden, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein Glied abzureißen - wir sollten jedoch beachten, dass diese Klinge keine Kraft wie ein Schwert ausübt.

Ein Schwert schneidet und spaltet das Ziel, weil es es auseinander „verkeilt“. Da wir in diesem Fall jedoch ein vollständig flaches monomolekulares Band haben, sollten wir in der Lage sein, das gesamte Ziel zu passieren (unabhängig davon, woraus das Ziel besteht, aber vorausgesetzt, Sie haben ihm einen guten Schnitt ohne Abweichung des Klingenwinkels gegeben ) extrem leicht, da wir nur molekulare Bindungen trennen. Kräfte auf molekularer Ebene liegen im Pico-Newton-Niveau (1pN =$10^{-12}$N); Was wir auf irgendetwas ausüben, indem wir irgendetwas zu einem bestimmten Zeitpunkt verwenden, übt mehr Kraft aus, als erforderlich ist. Hier ist etwas mehr Kontext: Ein Pfund Kraft gibt uns 43,62 Newton. Sogar ein Kleinkind könnte aus Versehen ein Pfund Kraft ausüben - also, wenn Sie dieses Ding einem Baby gegeben haben und es versehentlich durch Sie hindurchgeschwungen ist, viel Glück.

Vielen Dank an Samuel, der mich auf einige Zahlen hingewiesen hat: "Die Scherfestigkeit des Graphenbandes beträgt vielleicht 4200 Pikonewton / Angström, während Fasern in der Haut, wie Kollagen, eine Scherfestigkeit von nur 5,5 Pikonewton / Angström haben." Diese Zahlen zeigen, dass das Band entlang der gleichen Fläche eine Scherfestigkeit von über 750-mal der von Kollagen aufweist.

Die Haut scheint jedoch leicht zu schneiden. Was ist mit Knochen? Zum Glück für uns kommt der Großteil der Knochenelastizität von dem darin enthaltenen Kollagen, was bedeutet, dass wir Knochen genauso leicht schneiden wie Haut.

Für einen Erwachsenen? Es schneidet alles und alles besser als warme Butter.

Sobald Sie mit dem Schneiden fertig sind, wird das Glied nur noch durch Saugkraft und Oberflächenspannung gehalten. Jede Bewegung, und es rutscht / springt einfach ab.

Aber selbst in Anbetracht der obigen Aussage, dass es theoretisch möglich ist, ist dieses Werkzeug viel besser für eine Krankenhausumgebung geeignet, die schnelle Amputationen erfordert, als für eine Kampfsituation.

Das würde streng genommen als Amputationsgerät funktionieren, wäre aber schlecht kampftauglich, wenn die Gegner auch Zugriff auf ähnliche Waffen hätten. In diesem Szenario lesen Sie bitte die Antwort von Ville Neimi (2. bis 4. Absatz), warum es als Waffe scheiße wäre. Beachten Sie, dass das Graphen bei normalem Gebrauch stark genug sein sollte, um immer wieder verwendet zu werden. Durch die hexagonale Struktur des Graphene-Bandes spielt es keine Rolle, ob Kantenatome verloren gehen - egal welche Atome Sie verlieren, Sie haben immer eine passende Schneide.

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Verweise:

RR Nair, M. Sepioni, I-Ling Tsai, O. Lehtinen, J. Keinonen, AV Krasheninnikov, T. Thomson, AK Geim, IV Grigorieva. Spinhalber Paramagnetismus in Graphen, induziert durch Punktdefekte. Naturphysik, 2012; DOI: 10.1038/nphys2183

http://www.graphenea.com/pages/graphene-properties#.VYCbRkZ8ork

https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene#Thermal_conductivity

http://poplab.stanford.edu/pdfs/PopVarshneyRoy-GrapheneThermal-MRSbull12.pdf

https://web.engr.illinois.edu/~aluru/Journals/APL11.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Bone

Ich nehme an, Sie meinen wörtlich "monomolekular". In diesem Fall lautet die Antwort " Nein ", man kann aus monomolekularem Draht keine praktischen Nahkampfwaffen herstellen. Sie könnten Werkzeuge oder Raketen aus monomolekularem Draht bauen, und diese könnten eine erhebliche Amputationsfähigkeit aufweisen.

Das grundlegende Problem ist, dass eine Nahkampfwaffe wiederholt das Ziel und höchstwahrscheinlich Rüstungen, andere Waffen und zufällige Objekte treffen muss. Wenn das passiert, kollidieren die Atome der Waffe mit den Atomen dessen, was getroffen wird. Egal wie hart Ihre Waffe ist, dies führt dazu, dass einige der Atome abgetragen werden.

Die meisten Waffen sind hart genug, um den Verlust unbedeutend zu machen, und erfordern möglicherweise ein gelegentliches Nachschärfen der Schneide. Eine monomolekulare Waffe benötigt alle ihre Atome für ihren Aufbau. Selbst wenn das Material eine gewisse Redundanz aufweist, damit es beim ersten Aufprall nicht einfach "puff" wird oder bricht, wird es lokal geschwächt. Wiederholte Schläge führen also dazu, dass die Waffe an Kraft verliert, bis sie plötzlich bricht. Wahrscheinlich gerade in dem Moment, in dem Sie um Ihr Leben kämpfen.

An diesem Punkt ist es einfacher, Redundanz hinzuzufügen, indem der Aufprallpunkt aus mehreren Molekülen oder Kristallen zusammengesetzt wird, genau wie bei herkömmlichen Waffen. Ein dünner Draht aus „konventionellem“ Metall, der vielleicht mit Nanoröhren oder Graphen verstärkt ist, erledigt die Arbeit und ist robuster und viel einfacher zu konstruieren.

Für eine praktische monomolekulare Waffe braucht man etwas, bei dem die Zerbrechlichkeit und unberechenbare Robustheit keine Rolle spielen. Eine Einwegwaffe wie eine Rakete, die Sie wegwerfen oder abschießen. Ein spezielles Werkzeug für Attentate, das Sie nur einmal verwenden und dann entsorgen, es sei denn, Sie vermasseln es. Eine Waffe, die sich von einem Bruch erholen kann, indem sie einfach mehr von der Klinge oder Peitsche produziert.

Letzteres kommt dem Gewünschten wohl am nächsten. Eine Peitsche mit einer elektrischen Ladung oder einem superwissenschaftlichen Kraftfeld wie auf dem Bild, das Steifigkeit für Pseudoträgheit beim Aufprall hinzufügt, könnte erheblichen Schaden anrichten. Und obwohl es beim Aufprall mit ziemlicher Sicherheit brechen würde, wäre es für einen Mikrocontroller eine einfache Sache, die Länge der Peitsche anhand der Kapazitätsänderung zu erkennen und genug neues Material zu extrudieren, um die Länge konstant zu halten. Eine monomolekulare Peitsche hat für eine bestimmte Länge sehr wenig Masse, sodass Ihnen wahrscheinlich die Kraft ausgeht, bevor Sie das Ersatzmaterial verwenden.

Aber selbst dann wäre es viel einfacher, ein herkömmliches Material anstelle eines exotischen monomolekularen zu verwenden. Robuster und wahrscheinlich billiger. Wie in den Kommentaren angemerkt, ist die Praktikabilität selbst dieser begrenzten Klasse monomolekularer Waffen aufgrund der geringfügigen Vorteile gegenüber viel zuverlässigeren Lösungen immer noch viel geringer als die konventionellerer Waffen, sodass niemand sie verwenden würde. Praktisch in der Theorie, aber nicht in der Praxis. Was ich nicht einmal sicher bin, macht Sinn.

Ich denke, genau wie Ihr cooles Bild vermuten lässt, dass eine peitschenähnliche Waffe das ist, wonach Sie suchen.
Stellen Sie sich eine Peitsche vor, dh einen Strang von etwas (und ja, wir verwenden hier Kohlenstoff-Nanoröhren, weil sie wirklich, wirklich cool sind!) mit einem Griff.
Fügen Sie am Ende einige Widerhaken hinzu.
Denken Sie daran, dass alles, was dünn genug ist und sich nicht aus dem Weg bewegt, tatsächlich eine Schneide ist.

Jetzt triffst du deinen Gegner. Der Strang aus Kohlenstoffnanoröhren wird um den Arm Ihres Gegners gewickelt und Sie ziehen sich hart zurück. Die Dünnheit des Strangs, zusammen mit der Kraft, die Sie anwenden, indem Sie ihn zurückziehen, und unterstützt durch die Widerhaken am Ende, die sich in der Rüstung, Kleidung oder dem Fleisch Ihres Gegners verhaken, führen dazu, dass die Schlaufe um das Glied versucht, kleiner zu werden und damit störendes Gewebe durchtrennt.

Bleibt nur noch die Frage: Können Sie stark genug ziehen, um den Knochen zu durchtrennen? Hier hilft es wirklich, wenn Ihr Feind ein bewaffneter Oktopus ist: Sie haben keine Knochen, was das Geschäft mit dem Entfernen von Gliedmaßen erheblich erleichtert.
Die Kehrseite: Dein Oktopus hat noch viele übrige Gliedmaßen, um sehr, sehr deutlich zu machen, was er davon hält.

Als Ausgangspunkt habe ich Wie schneidet ein Messer Dinge auf atomarer Ebene? von Physics Stack Exchange, insbesondere die Antwort von Zitrone . Lemon ¹ sprach über etwas namens Nanoindentation , das typischerweise als Labortesttechnik verwendet wird.

Im Moment werde ich einige der Wikipedia-Gleichungen verwenden, um dies herauszufinden.

Der Elastizitätsmodul des geschnittenen Gegenstands,$E$, hängt mit der Steifigkeit des Kontakts zusammen,$S$und die Eindringtiefe,$h$, durch

$$E=\frac{1}{\beta}\frac{\sqrt{\pi}}{2}\frac{S}{\sqrt{A(h)}}\tag{1}$$ wo $$A(h)=\sum_{n=0}^{n=7}C_nh^{2^{-(n-1)}}$$ Etwas umarrangieren, $$A(h)=\left(\frac{S\sqrt{\pi}}{E\beta2}\right)^2$$ Wenn wir diese beiden gleich setzen, erhalten wir $$\left(\frac{S\sqrt{\pi}}{E\beta2}\right)^2=\sum_{n=0}^{n=7}C_nh^{2^{-(n-1)}}$$ Lassen Sie uns auflösen $S$: $$S=\frac{2E\beta}{\pi}\sqrt{\sum_{n=0}^{n=7}C_nh^{2^{-(n-1)}}}\tag{2}$$ Wenn wir das sagen $C_0=C_1=C_2=. . .=24.5$, und $h$, die Dicke des menschlichen Arms, beträgt etwa 0,1 Meter, und $E$ungefähr 14 ist, dann finde ich für eine Spitze, dass die benötigte Steifheit . . . $\approx$1.196.000 Newton/Meter; die benötigte Kraft beträgt 196.000 Newton. Das ist nur, wenn ein Tipp verwendet wird. Fügen Sie weitere Tipps in kleinerem Maßstab hinzu, und dies könnte machbar sein. Sie würden kleinere Spitzen und damit kleinere Einkerbungen für jeden erhalten, aber es könnte funktionieren. Vielleicht.

Das Wichtigste, was man daraus gewinnen kann, ist, dass die Arten von Spitzen, die bei der Nanoindentation verwendet werden, sehr effektiv sein können. Eine (bezahlte) Studie , die auch in der Antwort von Lemon erwähnt wird, zeigte, dass die verschiedenen Arten von Nanoindentern, die im Prozess verwendet werden, leicht unterschiedliche Ergebnisse liefern können. Glücklicherweise ergibt die Wikipedia-Seite zu den Geräten einen schönen Ausgangspunkt für die Recherche. . . was mich nirgendwohin geführt hat. Flüche.

Worauf wollte ich überhaupt hinaus? Stellen Sie sich ein langes Stück Stacheldraht vor. Machen Sie jetzt die Widerhaken winzig - wirklich winzig - und säumen Sie jedes Stück des Drahtes. Dann verwandeln Sie jeden Widerhaken in so etwas wie einen Nanoindenter. Jetzt hast du die richtige Waffe. Der Grund, warum ich mich mit Nanoindentern befasst habe, war, dass ich sehen wollte, ob es möglich wäre, ein Design auszuwählen, bei dem die Form wichtiger wäre als die Zusammensetzung.

In jedem Fall würde die resultierende Waffe so aussehen:

        ||
--------||
        ||---x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x-x
--------||
        ||

Die Spitze jedes „x“ hätte jedoch die Form eines Nanoindenters.

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^{1 Hinweis für potenzielle Redakteure: Der Benutzername ist in Kleinbuchstaben geschrieben.}

Auf keinen Fall. Die positiven Antworten berücksichtigen alle nicht, a) wie überaus klein ein Molekül ist, b) wie viele Moleküle in einem Körper sind (und wie stark sie miteinander interagieren) c) wie eine Kette verwittern muss die Summe aller auf sie wirkenden Kräfte und d) dass eine Kraft, die senkrecht auf eine Kette wirkt, nicht einfach so wie sie ist kolinearisiert werden kann, sondern zu einer kolinearen Kraft führt, die ein Vielfaches der früheren Größe ist.

Habe eine Bruchlast von 1TP wie eine Antwort für Graphen gab: Ein Pascal ist ein Newton Kraft (100 Gramm Erdanziehungskraft) auf einem Quadratmeter. 1TP bedeutet also 10^12 Newton pro Quadratmeter! Yay! Aber betrachten Sie den Querschnitt eines Moleküls: Seien wir großzügig und setzen ihn auf 2nmx2nm - das ist (2*10^-9)^2. Die Bruchkraft für dieses einzelne Molekül beträgt also: 4 * 10 ^ -6 Newton ... die Kraft, die die Schwerkraft auf vier Zehntel eines Milligramms Masse ausübt. Damit könntest du vier Fruchtfliegen heben! (Yay?) Auf jedes Molekül, dem die "Peitsche" auf ihrem Weg durch Fleisch begegnet, muss eine Kraft einwirken - intermolekulare Bindungen scheren, es aus dem Weg schieben, Adhäsionskräften widerstehen ... und zu jeder Zeit , würde die Peitsche, die etwas so Kleines wie der menschliche Finger durchquert, auf 10 ^ 5 Moleküle treffen (Lowballing) - also könnte auf jedes dieser Moleküle (im Mittel) 4 * 10 ^ -11 Newton einwirken - das ist nur etwa das Zehnfache Kraft, die benötigt wird, um eine Wasserstoffbrücke zu brechen (schwächste Bindung, die es gibthttp://www.picotwist.com/index.php?content=smb&option=odg ) und nur ein Viertel der Kraft benötigt wird, um eine nichtkovalente Bindung zu brechen. Und wir haben noch nicht einmal damit begonnen, die Multiplikatoren zu berechnen, die ins Spiel kommen, weil die "Peitsche" diese Kräfte hat, die senkrecht zu sich selbst wirken.

Die "Peitsche" driftet auf ihr Ziel zu, schlägt mit unmerklicher Kraft zu und zerbricht dann beim ersten Zug. Möglicherweise befindet sich unterwegs ein Scherenschnitt.