为“手搓5纳米”正名：也不全是吹牛啊

本文来自微信公众号： 孔夫子百科 ，作者：newtonian6

前一阵某tv有一期节目播放了大国航天工匠手搓5纳米的是视频引起了非议，广大网民一片声讨都说手搓5纳米根本不可能，某某tv忽悠毫无底线等等。那么真相究竟是什么呢？先来看看事情的起源：

一档撒贝宁主持的节目中，两位身穿蓝色航天制服的大师在舞台上很费力地在表演，两人用力推拉放在工作台上的一个大铁块。随着推拉的进行，阻力越来越大，直到最后两人都用尽吃奶的力气才能推动。

然后高潮来了：随着最后一下将两个铁块上下对齐合在一起，一个吊绳拉住上面铁块，上面的铁块又拉起来下面的铁块，再下面还吊了520kg的重物，于是主持人激动地宣布：挑战成功！下面响起了热烈的掌声，观众和嘉宾纷纷配合地给大国工匠送上惊叹和夸赞。

后面自然是采访，别的印象没那么深了，就记得一句话：大国工匠说到现在最高级的数控机床精度时回答0.1微米，后面主持人问咱们这平板精度多高，大国工匠骄傲地说：“能量我这个精度的尺子还没有！”

要说这届网友确实讨厌，评论区各种炸锅。有网友翻出来这位大国工匠还有个专题节目，是说他能手搓出一种金属箔，精度达到5nm，这就是“手搓5nm”的出处。我后来还去翻了一下那个节目，不得不为这位工匠说句公道话：人家没说过手搓精度5nm，我想他大概率是想说粗糙度5nm，精度5nm这个词是某tv的记者说的。作为《走近科学》这种娱乐节目的制作方，大家也没必要对这事太过较真了。

那么大国工匠的神技，到底哪些是真的很厉害，哪些被主持人和嘉宾曲解，哪些又是在忽悠呢？

拿前面那两个平板来说，要研磨出两个那么大面积而且非常平的平面，那还是得花点功夫的。两块金属之间磨到极致的贴合（注意，不是极致平，只要两块金属板互相磨足够的时间两个面就会自然贴合），然后把它们在真空中用力压在一起，当原子之间的距离小到不足一个纳米时，两个贴合非常紧密的表面的原子就会通过范德华力吸引在一起，变得非常牢固。之所以强调真空，是因为很多金属表面在空气中会瞬间形成极薄的氧化层阻碍这种原子结合，这也就是为什么一般条件下很难做成这种实验的原因。

要在空气中做成这种实验有两个办法：第一就是用柔软而且不容易氧化，或者氧化层很不稳定的金属，例如铅和金，找两个铅块或者两个金块或者铅块+金块，找两个平面互相磨啊磨啊，最后做成这个实验的成功率就很高。

对于铁这种金属需要采用第二种办法：在两个结合面之间加入一些能够破坏氧化层促进结合的物质，比如焊电路板常用的助焊剂，或者是效果更好的纳米银膏。纳米银膏里的纳米银颗粒在压力作用下不仅能破坏氧化层，还会在两个面之间发生迅速的扩散，与两面金属都发生结合，最终将两块金属牢牢结合在一起。

如果我是台上表演那个人，肯定会选用后一种方法，只要事先将两块经过长时间互相研磨的铁块中间抹上纳米银膏，成功率还是很高的，整个过程也符合加了纳米银膏互磨之后阻力越来越大的规律。就是得小心一点不要让流体状的银膏从工件侧面留下来，容易露馅。

那么手搓5nm呢？这个真不怪大师，我觉得人家干这行这么多年了不至于说出精度5nm这种话，多半是主持人加戏。5nm比较合理的解释是表面粗糙度。我们平时看物体表面，有的宏观上看着挺平整的，但仔细看就有细微的坑坑洼洼，比水泥地面，或者显微镜下面的磨砂手机壳。像玻璃镜子这样的不光看起来平，连用一般显微镜看也都看不出表面有什么坑洼了，但实际上继续放大也还是有坑洼，只不过更小一些，可能只有几纳米。粗略点说，这种物体表面的微观坑洼平均深度就是粗糙度。像平整的水泥地面可能粗糙度会有零点几个毫米，精密加工的金属表面粗糙度可以达到1微米以下，浮法玻璃表面粗糙度只有不到20nm，而精密抛光的光学玻璃，比如天文望远镜镜片的表面甚至能低到0.2nm。

所以说通过抛光让一些金属表面粗糙度达到5nm并不是不可能的事情，只要抛光膏足够细，动作足够轻，这不是一个遥不可及的指标。当然这种手艺也不是一两天能练出来的，有这本事还是值得佩服。虽然一些现代抛光技术，例如化学机械抛光、磁流体抛光、离子束抛光等先进技术甚至能让金属表面粗糙度比5nm更低，但也许还有一些工件或者材料只能用手工操作，这时候就得大师上了。

至于大师说的能测量他们精度的尺子还没有，我的理解是大师接触过的尺子就是我们大学画图那种直尺，能到0.5mm都得眼神好才能用了。高级点的有游标卡尺和螺旋测微器，可以测量到10微米，这距离5nm确实有点远。工业界一直有个规则：加工要达到某个精度，一定要有超过这个精度的测量方法，这其实也不难理解。但我很好奇一点：如果没有尺子能测量大师加工精度，那大师是怎么知道他能加工到多高精度的呢？

如果把“尺”的定义扩展一下，那测量5纳米就是小菜一碟了。目前最高精度的测量都是利用光的来实现。现代双频激光干涉技术在高精度数控机床上早已被普遍采用，它通过两个频率相近的激光束之间产生的拍频相位来精确测量位移，精度可以达到纳米（十亿分之一米）甚至皮米（万亿分之一米）级别。正是有了这些高精度的激光干涉技术，EUV的反射镜、韦伯望远镜、标准计量的硅28标准球等等不可思议的极端精度才得以实现。

那么地球上最令人发指的测量精度记录由谁保持呢？这就得说美国的引力波探测器LIGO了。它通过极高精度的镜面将大功率激光干涉光路加长到超过一千公里，从而测量到了只有质子直径十万分之一的位移。一个质子直径大约为1.68*10^-15米，它的十万分之一就是10^-20米量级，这个长度大约是一纳米的一千亿分之一，很期待在有大国工匠能够手搓这个精度。