Wie schneidet ein Messer Dinge auf atomarer Ebene?

Bei organischen Stoffen wie Brot und menschlicher Haut ist das Schneiden ein unkomplizierter Vorgang, da Zellen/Gewebe/Proteine/usw. mit relativ wenig Energie auseinandergebrochen werden können. Dies liegt daran, dass organische Materie viel flexibler ist und die Moleküle durch schwache intermolekulare Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte binden.

Für anorganische Materie ist es jedoch viel komplizierter. Es kann experimentell untersucht werden, z. B. durch Nanoindentation + AFM -Experimente, aber ein Großteil der Erkenntnisse, die wir haben, stammt tatsächlich aus Computersimulationen.

Hier ist zum Beispiel ein Bild aus einer Molekulardynamikstudie , in der Kupfer (blau) mit unterschiedlich geformten Klingen (rot) geschnitten wurde:

Die Klinge durchdringt jeweils die rechte Seite des Blocks und wird nach links gezogen. Man sieht, wie sich die Atome durch den hohen Druck in unmittelbarer Nähe amorphen und sich dann um die Klinge herum verformen . Dies ist eine grundlegende Antwort auf Ihre Frage.

Aber es gibt einige kompliziertere Mechanismen, die im Spiel sind. Damit sich ein Material verformen kann, muss es in der Lage sein, Versetzungen zu erzeugen , die sich dann durch das Material ausbreiten können. Hier ist ein viel größerer Maßstab ($10^7$Atome) Molekulardynamik-Simulation einer Klinge, die (nach links) entlang der Kupferoberfläche gezogen wird. Die blauen Regionen zeigen die Versetzungen:

Dieser blaue Ring, der entlang [10-1] durch die Masse wandert, ist eine Versetzungsschleife.

Wenn diese Versetzungen auf eine Korngrenze treffen , wird mehr Energie benötigt, um sie zu bewegen, was das Material härter macht. Aus diesem Grund werden viele Materialien (z. B. Metalle, die weich sind) absichtlich körnig hergestellt.

Es können auch einige ziemlich exotische Mechanismen beteiligt sein. Hier ist ein Bild aus einem kürzlich erschienenen Nature -Artikel, in dem eine Nanospitze in Calcit (ein sehr hartes, aber sprödes Material) gedrückt wird:

Das wirklich Interessante daran ist, dass sich zunächst Kristallzwillinge bilden (sichtbar in Stufe 1), um die Energie zu dissipieren – dabei ändern Schichten des Kristalls ihre Ausrichtung, um die Dehnung aufzunehmen – bevor sie brechen und sich schließlich amorphisieren.

Kurz gesagt: Es ist kompliziert, aber sehr interessant!

Es kommt darauf an, was geschnitten wird.

Wenn Metall geschnitten wird, passiert es, dass es in kleinem oder nicht so kleinem Maßstab schert . Das bedeutet, dass Schichten übereinander gleiten. Der Mechanismus, durch den sie übereinander gleiten, besteht darin, dass es Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur gibt, die Versetzungen genannt werden, und die Kristallschichten können sich bewegen, indem sie die Versetzungen dazu bringen, sich in die andere Richtung zu bewegen.

Sie können dies mit einem Reißverschluss an einer Jacke visualisieren. Angenommen, der Reißverschluss ist vollständig geschlossen, mit Ausnahme einer kleinen Ausbuchtung, bei der N Zähne auf der einen Seite und N + 1 Zähne auf der anderen Seite nicht miteinander verriegelt sind, und angenommen, diese Ausbuchtung kann bewegt werden, indem die Zähne an einem Ende beim Trennen zusammengeschlossen werden sie am anderen Ende.

Wenn es der Ausbuchtung ermöglicht wird, sich über die gesamte Länge des Reißverschlusses zu bewegen, dann werden Zähne, die ursprünglich miteinander verriegelt waren, nun mit dem benachbarten Zahn verriegelt. So können Schichten in einem Kristall übereinander gleiten - indem die kleinen Ausbuchtungen schnell in die andere Richtung wandern.

Eine Möglichkeit, ein Metall (oder ein beliebiges kristallines Material) hart und damit schnittfest zu machen, besteht darin, es so anzuordnen, dass es entweder keine Versetzungen aufweist, oder die Versetzungen, die es hat, "festgesteckt" sind, damit sie sich nicht bewegen können.

Ein scharfes Messer ist am Rand immer noch mehrere Moleküle dick; stumpfe Klingen sind noch breiter. Wenn Sie also versuchen, Material zu schneiden, muss es auseinandergerissen werden. Wie in anderen Antworten erläutert, bricht das Material entweder entlang von Gitterfehlern oder Sie trennen Moleküle (wie beim Schneiden von Brot).

Die einzigen Materialien, bei denen Sie chemische Bindungen spalten könnten, sind vulkanisierter Gummi und Polymere. Theoretisch besteht ein Bergbau-LKW-Reifen aus einem Molekül.