Как нож режет вещи на атомарном уровне?

Для органических веществ, таких как хлеб и человеческая кожа, разрезание является простым процессом, потому что клетки/ткани/белки/и т. д. могут быть разрушены с относительно небольшими затратами энергии. Это связано с тем, что органическое вещество гораздо более гибкое, а молекулы связываются посредством слабых межмолекулярных взаимодействий, таких как водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса.

Однако для неорганического вещества все гораздо сложнее. Его можно изучать экспериментально, например, с помощью экспериментов с наноиндентированием + АСМ , но большая часть информации, которую мы получаем, на самом деле исходит из компьютерного моделирования.

Например, вот изображение, взятое из исследования молекулярной динамики , где они режут медь (синий) лезвиями разной формы (красный):

В каждом случае лезвие проникает в правую сторону блока и тянется влево. Вы можете видеть, как атомы аморфизируются в непосредственной близости из-за высокого давления, а затем деформируются вокруг лезвия. Это базовый ответ на ваш вопрос.

Но есть и более сложные механизмы. Чтобы материал деформировался, он должен иметь возможность генерировать дислокации , которые затем могут распространяться в материале. Вот масштаб намного больше($10^7$атомов) молекулярно-динамическое моделирование лезвия, протаскиваемого (влево) по поверхности меди. Синие области показывают дислокации:

Это синее кольцо, которое проходит через объем вдоль [10-1], представляет собой дислокационную петлю.

Если эти дислокации сталкиваются с границей зерна , то для их перемещения требуется больше энергии, что делает материал более твердым. По этой причине многие материалы (например, мягкие металлы) намеренно изготавливаются зернистыми.

Также могут быть задействованы некоторые довольно экзотические механизмы. Вот изображение из недавней статьи в Nature, в котором нано-наконечник вдавливается в кальцит (очень твердый, но хрупкий материал):

Что действительно интересно, так это то, что сначала формируются кристаллические двойники (видимые на Стадии 1) для рассеивания энергии — при этом слои кристалла меняют свою ориентацию, чтобы приспособиться к напряжению, — прежде чем растрескаться и, в конечном счете, аморфизироваться.

Вкратце: это сложно, но очень интересно!

Это зависит от того, что режется.

Когда металл режется, происходит то, что в небольшом или не очень маленьком масштабе он срезается . Это означает, что слои скользят друг по другу. Механизм, с помощью которого они скользят друг по другу, заключается в том, что в кристаллической структуре есть дефекты, называемые дислокациями , и слои кристалла могут двигаться, заставляя дислокации двигаться в другом направлении.

Вы можете визуализировать это с помощью молнии на куртке. Предположим, что молния полностью застегнута, за исключением небольшой выпуклости, где N зубцов с одной стороны и N+1 зубцов с другой стороны не сцеплены вместе, и предположим, что эту выпуклость можно сдвинуть, сцепив зубцы вместе на одном конце при разделении. их на другом конце.

Если позволить выпуклости пройти по всей длине молнии, то зубцы, которые изначально были сцеплены вместе, теперь сцепляются с соседним зубцом. Вот как слои в кристалле могут скользить друг по другу — маленькие выпуклости быстро движутся в другом направлении.

Способ сделать металл (или любой кристаллический материал) твердым и, следовательно, устойчивым к резанию, состоит в том, чтобы расположить его так, чтобы он либо не имел дислокаций, либо имеющиеся дислокации были «закреплены», чтобы они не могли двигаться.

Острый нож по-прежнему имеет толщину в несколько молекул на лезвии; тупые лезвия еще шире. Поэтому, когда вы пытаетесь разрезать материал, его необходимо разорвать на части. Как объяснялось в других ответах, материал либо ломается по дефектам в решетке, либо вы разделяете молекулы (например, когда вы режете хлеб).

Единственные материалы, в которых вы можете разорвать химические связи, — это вулканизированная резина и полимеры. Теоретически шина карьерного самосвала состоит из одной молекулы.