Re: [請益] 蛋白質的最大強度

看板ask-why (知識奧秘)作者harry901 (33798)時間18年前 (2008/04/04 03:36)推噓0(0推 0噓 0→)

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發表一下我的感想好了，不過在此之前先轉貼2004年的文章 ========================= 作者 harry901 (感情學業麵包何重要?) 看板 Physics 標題 Re: [問題] 奈米光之劍時間 Sun Mar 7 03:16:58 2004 ─────────────────────────────────────── ※ 引述《hydraj (徵女友)》之銘言： : ※ 引述《hydraj (徵女友)》之銘言： : : 可否運用奈米技術將碳元素 : : 製作成長度一公尺的結構體 : : 但是截面積僅僅只有四分之一奈米平方乘以拍大小的物體 : : 也就是說 : : 這個圓柱體是由碳元素組成的 : : 底面積是四分之一奈米平方乘以拍 : : 高是一公尺 : : 如果可以的話 : : 這個物體的硬度會是多少 : : 會不會像是卡通影片當中的光之劍一樣啊 : 我原本的想法是 : 如果有一把武士刀 : 長度有一公尺 : 但是寬度(或說是截面積也行) : 僅僅只有幾平方奈米大小 : 肉眼幾乎無法看的到 : 而且它的硬度非常的高 : (用任何物質作成的都行,不侷限是碳) : 擁有這樣的武器應該很炫吧 : (原本的構想是來自於"光之劍") : 謝謝大家單就你說的那樣，假使1m長，而截面積暫且定為A 就拿他來砍些木頭，魚肉等等，或許可以實現 but，就針對像骨頭，石頭，金屬等這些硬度較高的物體可能很難喔何以下這定論? 比方說砍一較硬的物體，雖然你的成分硬度很高但是相對的大部分硬度高的東西都很脆，那麼現在再考慮若可以克服脆的問題接下來將會遇到什麼問題呢? 就拿1m長的長度來算好了當切割物體時，初步計算將對距離切點最遠的距離產生最大的力矩假設距離切點為d好了，那麼切割時所產生的力矩將會跟切割之力量F有關 <=====================||刀柄(往下切喔) y ↑ d O ○ |_x 這是剖面圖 F 直徑=nm，所以符合你文中 "四分之一nm平方*pi"之面積 M=F*d，F又跟施力有關(我禿然想到一個現實的問題，等一下會繼續這個問題) (Take moment of point O) 那麼對於O點的力矩為f*r 在O點所造成之最大拉應力為σ=My/I 這裡的M就是只外力造成的moment，y指的是中性軸(Natural axis)到y軸方向之距離 I指慣性矩針對圓形斷面之最大拉應力，y=半徑(也就是在最外圍會發生最大拉應力)=0.5nm I=pi*(nm)^4/64 所以造成之最大拉應力將變成 σ=My/I=F*d*0.5nm*64/{pi*(nm)^4}=32F*d/{pi*10^-27} 算到這邊應該知道，拉應力將會是無限大，保證會在該點(O點下方)斷裂!!! 那麼，我剛剛文中說的現實問題是什麼呢?(這邊真的很好玩，很有趣，值得看倌一看) 恩，考慮這把'奈米刀'的自重好了，現在令長度為d的奈米刀，截面積同於你所假設則碳的原子量取C-12，一顆原子質量為1.6606*10E-24g，一顆原子的直徑取1*10E-10m 又再次假設這把奈米刀之碳結晶所形成的金屬堆積(雖然是碳，碳以金屬堆積討論之)之結晶結構為HCP(六方精密晶格，較強)來排列，忽略其他因素，則我們有以下代數奈米刀長度d (m) 奈米刀斷面直徑 D (nm) 一顆碳原子重量 12*gra*1.6606*10E-24 (g) ........................(1) gra為重力加速度常數一顆碳原子體積 12*0.74*(4/3)*pi*{1*10E-10}^3 (m)^3.............(2) 12個原子*HCP堆積因子0.74*球體體積公式堆積因子定義為==>單位晶胞內，實際上原子所佔的體積則這把奈米刀的體積為0.25*pi*D^2*(nm)^2*d(m)=025*pi*D^2*d {10E-18 m^3}.....(3) 這把奈米刀內碳原子的重量W為(3)*(1)/(2) 得W=12*gra*1.6606*10E-24*0.25*pi*D^2*d*10E-18/{12*0.74*4/3*pi*10E-30} =0.42076*D^2*d*10E-12*gra 由於D=1，又gra=9.81m/s^2帶入可得W=4.122766*d*10E-12 (g) 若d=1m帶入(因為我都化成公尺的單位)，W=4.122766*10E-12 (g) 這個數據代表這把奈米刀很輕! 輕的影響我想不用說了吧.... 重點是! 對於奈米刀本身的自重! 咱們來算算看自重的影響算自重造成對O點的拉應力 σ=My/I 這時的M=0.5W (m-g)(公尺-公克) y=0.5 (nm) (因為此時受自重影響，刀身張力在斷面之y方向向上0.5nm處最大) I=不變=pi*(nm)^4/32={pi*10E-36}/32 (m^4) σ=0.5*4.122766*10E-12(m-g)*0.5*10E-9(m)/{pi*10E-36}/32 =10.5*10E15 g/m^2 =10.5*10E12 kg/m^2 =10.5*10E6 kg/mm^2 =10.5*9.81*10E6 N/mm^2 =~103*10E6 MPa 這是很大的一個拉應力我想這奈米刀恐怕連自己的重量都無法支撐吧! 一般金屬最大最大給你拉應力300MPa(很大囉) 假使這奈米刀，給你允許的拉應力為1000MPa好了帶回去可以求到長度要多少才可以合乎規範 ============================================================== 以上是用宏觀的理論來描述微觀的現象我必須先聲明這部份是部分錯誤，因為在上篇的假設中並沒有考慮到分子間的鍵結力但是上面的敘述如果將尺度放大到原文所述可以看得到"該物" 那麼這就是一個標準的界觀(微觀-巨觀之間)問題了界觀問題是一個很難，牽涉到的領域很廣的一項學門就目前學界的研究而言，要統合所有界觀問題的理論的難度是跟科學家找統一場論一樣困難因為在這界觀問題中會牽涉到所有物理上與化學上的變化現在將尺度放大到如原文所述可以看到"該物"為準時顯然這變成宏觀的問題了，計算不算之，因為不知道那隻兔子長什麼樣子但是針對類似這樣的問題(爪子還會變形先開鋼板這種問題) 在宏觀的問題中，蛋白質是被允許到看得見的尺度，因此就上述簡單的材料力學證明這個怪物在宏觀理論中承受拉應力是不可能的，同理我想剪應力也可輕易證明首先要記得材料力學裡面討論的尺度是大尺度的，但是在分子生物力學裡面，尺度可以被用來更精細的計算，我手上的文獻也只能指出蛋白質的摺疊問題到目前為止是由熱力學還是動力學來控制都是一個問題。就生物膜理論，提供以下數據；(單位依文所訂)(任何領域的人想算的可以拿去用) 生物膜類脂雙層膜(人工仿生膜) 厚度10^-10m 40~130 40~90 電容μF*cm^2 0.5~1.3 0.3~1.3 電阻Ω*cm^2 10^2~10^5 10^3~10^9 擊穿電壓mV 100 100~550 折射率 ~1.6 1.37~1.66 界面張力 (10^-7*J*cm^2) 0.03~3.0 0.2~6.0 水透性 (10^-4*cm*s^-1) 0.25~400 ~8.5 當然在這些理論中，我並沒有把一些很煩的方程式打上來因為那些都超出我的能力所及但是這邊要提的是，這些研究都跟，電磁力，熱力，分子動力以及界觀力學的連結有關。學化學的人，單就微觀的分子間的鍵結力計算之，理論上是可行的因為光是一個H bound我想就夠刺激到打不開了，可是若從這理論解釋之，則必須在實際上所有的結合從原子，分子到皮米 (PS皮米=pico meter,這也是一個界觀力學問題，稱皮米力學) 然後再上去奈米，到我們看得到的宏觀力學，這一連串的所有連結都不能有任何的雜質阿~ 什麼空隙~ 還有其他電磁力熱力什麼挖溝的全部不能有干擾但實際上當然是沒辦法做到，至少是目前的科技無法作到但以後有沒有辦法? 我想是有的，畢竟科技是由不斷的知識累積所堆疊出來的但我想這問題在我們大家有了孫子之前是看不到的部分資料來源:軟物質物理學導論，北京大學出版社 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 218.160.108.226 ※ 編輯: harry901 來自: 218.160.108.226 (04/04 03:38) ※ 編輯: harry901 來自: 218.160.108.226 (04/04 03:38) ※ 編輯: harry901 來自: 218.160.108.226 (04/04 03:40)