刀把东西切开，在原子分子层面是什么样的原理？
想象一下，你手里握着一把锋利的刀，准备切开一块木头。这个过程在宏观世界里再熟悉不过了，但如果把目光放到原子和分子层面，那又是一番截然不同的景象。它不是一刀两断那么简单，而是一场能量与物质相互作用的精妙表演。
我们先从刀刃说起。刀刃之所以能“切开”，是因为它的材料被塑造成了一个极小的、高度集中的接触点。这就像你想要挤压一个橡皮泥，是用手指尖去挤压，还是用整个手掌去按压？很显然，手指尖的压力要大得多。刀刃就是利用这个原理，通过其极小的接触面积，将巨大的压力施加在被切物体上。
那么，这个“压力”到了原子分子层面，又是什么呢？
首先，被切物体，比如木头，是由无数个原子组成的。这些原子并非孤立地漂浮着，而是通过化学键连接在一起，形成分子，进而构成宏观的物质结构。这些化学键，你可以想象成微小的“胶水”，把原子紧密地黏合在一起。这些“胶水”可以是共价键（原子共享电子）、离子键（原子之间电子的得失）或者金属键（电子形成自由流动的大海）。这些键的强弱决定了物质的硬度和稳定性。
当刀刃接触到木头时，它的尖锐边缘会与木头表面的原子发生剧烈的相互作用。刀刃本身的原子，由于其材料的特性（通常是金属，如钢），其外层电子是相对容易移动的。而木头表面的原子，则有它们各自的电子云。
在这里，两种主要的机制在起作用：
1. 机械应力与断裂（Mechanical Stress and Fracture）：
当刀刃的尖端压向木头时，刀刃的原子会试图将木头表面的原子“推开”或“挤压”。
这种“推挤”会使得刀刃接触点附近的木头原子承受巨大的局部压力，这种压力远超了这些原子之间化学键能够承受的强度。
你可以想象一下，化学键就像橡皮筋，你轻轻拉扯它没事，但如果你猛地将它拉到极限，它就会断裂。刀刃的压力就是这样一种“猛地拉扯”。
当一个化学键断裂时，它所连接的原子就获得了自由，不再被束缚。这个过程会在刀刃接触的区域迅速蔓延。
对于木头这种相对“软”的物质，其原子间的化学键强度相对较低，容易被这种高压力的机械作用撕裂。刀刃的移动本质上是在这个微观层面不断制造新的断裂点，并将这些断裂点沿材料的结构方向延伸，从而实现宏观上的“切割”。
2. 摩擦与能量耗散（Friction and Energy Dissipation）：
切割过程不仅仅是静态的挤压，刀刃还会沿着物体表面滑动。这种滑动会产生摩擦力。
在原子层面，摩擦力是由于刀刃和物体表面原子之间的相互作用引起的。当两个表面接触并相对移动时，原子之间会发生碰撞、排斥以及电子之间的相互作用。
这些相互作用会转化为热能。你可以感觉到刀在切割时会发热，这就是能量耗散的表现。
这种热能的增加会进一步影响物质的性质。在某些情况下，高热量甚至可以破坏化学键，加速材料的断裂。同时，摩擦也会导致刀刃和被切物体的表面原子发生位移和形变。
更细致地说，当刀刃切割木头时，发生的是一个连锁反应：
形变（Deformation）：刀刃的压力首先会在木头表面引起微小的形变。原子开始偏离它们原来的平衡位置，但化学键还没有完全断裂。
滑移与断裂（Slip and Fracture）：当应力超过材料的屈服强度时，原子开始沿着特定的晶面（如果是晶体材料）或分子链（如果是聚合物）发生滑移。对于木头这种非晶态物质，更像是分子链的断裂和重排。当应力进一步增大，超过材料的断裂强度时，化学键就会被撕裂。
分离（Separation）：随着越来越多的化学键断裂，原本连接在一起的原子和分子就分开了，形成了两个独立的片段。刀刃的持续移动确保了这个断裂过程沿着预期的路径进行。
对比一下不同物质的切割：
切割金属：金属的原子排列方式（晶格）以及金属键的性质，使得金属在被切割时需要克服更大的力量。金属切割通常会涉及更复杂的形变机制，例如滑移系的发育，甚至会产生切屑（小的金属碎屑）。刀刃本身的磨损在这个过程中也更为显著。
切割玻璃：玻璃是一种非晶态固体，其原子排列非常混乱。玻璃的断裂通常是沿着“裂纹”扩展的，这个过程对微观缺陷非常敏感。刀刃的尖锐性在于能制造一个初始的微小裂纹，然后这个裂纹在力的作用下迅速扩展。
所以，刀把东西切开，从原子分子层面来看，是一个由外力施加的、以高压力和滑动摩擦为主要手段，通过克服原子间化学键的束缚力，导致物质结构发生形变、滑移乃至断裂的物理过程。它不是一个“穿透”的过程，而是沿着某个方向不断“撕裂”物质内部连接的过程。
从这个角度看，每一刀下去，都伴随着无数次微小的原子间的拉扯、碰撞和最终的“分离”。这是一种在肉眼看不见尺度上发生的，极其活跃的能量交换和物质重构。
我们先从刀刃说起。刀刃之所以能“切开”，是因为它的材料被塑造成了一个极小的、高度集中的接触点。这就像你想要挤压一个橡皮泥，是用手指尖去挤压，还是用整个手掌去按压？很显然，手指尖的压力要大得多。刀刃就是利用这个原理，通过其极小的接触面积，将巨大的压力施加在被切物体上。
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当刀刃接触到木头时，它的尖锐边缘会与木头表面的原子发生剧烈的相互作用。刀刃本身的原子，由于其材料的特性（通常是金属，如钢），其外层电子是相对容易移动的。而木头表面的原子，则有它们各自的电子云。
在这里，两种主要的机制在起作用：
1. 机械应力与断裂（Mechanical Stress and Fracture）：
当刀刃的尖端压向木头时，刀刃的原子会试图将木头表面的原子“推开”或“挤压”。
这种“推挤”会使得刀刃接触点附近的木头原子承受巨大的局部压力，这种压力远超了这些原子之间化学键能够承受的强度。
你可以想象一下，化学键就像橡皮筋，你轻轻拉扯它没事，但如果你猛地将它拉到极限，它就会断裂。刀刃的压力就是这样一种“猛地拉扯”。
当一个化学键断裂时，它所连接的原子就获得了自由，不再被束缚。这个过程会在刀刃接触的区域迅速蔓延。
对于木头这种相对“软”的物质，其原子间的化学键强度相对较低，容易被这种高压力的机械作用撕裂。刀刃的移动本质上是在这个微观层面不断制造新的断裂点，并将这些断裂点沿材料的结构方向延伸，从而实现宏观上的“切割”。
2. 摩擦与能量耗散（Friction and Energy Dissipation）：
切割过程不仅仅是静态的挤压，刀刃还会沿着物体表面滑动。这种滑动会产生摩擦力。
在原子层面，摩擦力是由于刀刃和物体表面原子之间的相互作用引起的。当两个表面接触并相对移动时，原子之间会发生碰撞、排斥以及电子之间的相互作用。
这些相互作用会转化为热能。你可以感觉到刀在切割时会发热，这就是能量耗散的表现。
这种热能的增加会进一步影响物质的性质。在某些情况下，高热量甚至可以破坏化学键，加速材料的断裂。同时，摩擦也会导致刀刃和被切物体的表面原子发生位移和形变。
更细致地说，当刀刃切割木头时，发生的是一个连锁反应：
形变（Deformation）：刀刃的压力首先会在木头表面引起微小的形变。原子开始偏离它们原来的平衡位置，但化学键还没有完全断裂。
滑移与断裂（Slip and Fracture）：当应力超过材料的屈服强度时，原子开始沿着特定的晶面（如果是晶体材料）或分子链（如果是聚合物）发生滑移。对于木头这种非晶态物质，更像是分子链的断裂和重排。当应力进一步增大，超过材料的断裂强度时，化学键就会被撕裂。
分离（Separation）：随着越来越多的化学键断裂，原本连接在一起的原子和分子就分开了，形成了两个独立的片段。刀刃的持续移动确保了这个断裂过程沿着预期的路径进行。
对比一下不同物质的切割：
切割金属：金属的原子排列方式（晶格）以及金属键的性质，使得金属在被切割时需要克服更大的力量。金属切割通常会涉及更复杂的形变机制，例如滑移系的发育，甚至会产生切屑（小的金属碎屑）。刀刃本身的磨损在这个过程中也更为显著。
切割玻璃：玻璃是一种非晶态固体，其原子排列非常混乱。玻璃的断裂通常是沿着“裂纹”扩展的，这个过程对微观缺陷非常敏感。刀刃的尖锐性在于能制造一个初始的微小裂纹，然后这个裂纹在力的作用下迅速扩展。
所以，刀把东西切开，从原子分子层面来看，是一个由外力施加的、以高压力和滑动摩擦为主要手段，通过克服原子间化学键的束缚力，导致物质结构发生形变、滑移乃至断裂的物理过程。它不是一个“穿透”的过程，而是沿着某个方向不断“撕裂”物质内部连接的过程。
从这个角度看，每一刀下去，都伴随着无数次微小的原子间的拉扯、碰撞和最终的“分离”。这是一种在肉眼看不见尺度上发生的，极其活跃的能量交换和物质重构。
网友意见
材料的理论断裂强度可用原子键合力进行估算。
材料的拉断是晶体材料在拉应力作用下沿与拉应力垂直的原子面被拉开的过程。
在这一断裂过程中，外力作的功消耗在断口上，即断口的表面能。
设想完整的晶体材料被解理面分开成两半晶体，其解理面的晶面间距为a0, 沿拉力方向发生相对位移x, 当位移很大时，位移和作用力的关系并不是线性关系。而原子间的相互作用力最初是随x的增大而增大，但达到一峰值σm后就逐渐下降，
见图
参考
http://fdjpkc.fudan.edu.cn/_upload/article/files/48/30/7e15b93c4caca79eb64b1ca6d586/67110d7d-8cc9-44bd-9d8a-48a08baeb5ec.pdf 材料的断裂失效形式与机理 杨振国 复旦大学材料科学系
【未完待续】
直接贴个视频吧，下面是大阪电气通信大学做的单晶硅的切削模拟[1]，每个球都是一个硅原子，不同的颜色对应的右上角的不同数字，这个数字代表周围其他的近邻硅原子的数量。
正常情况下，硅晶体是金刚石结构，每个硅周围都有4个其他硅原子。当切割开始后，裂纹尖端受到刀刃的挤压，产生极大的应力。为了释放掉这些应力材料会发生变形，这个过程会引入大量的缺陷，使得裂纹尖端非晶化。当然，不同的材料/刀刃角度带来的切割机制肯定是不一样的，这里只是一个个例。
单晶硅表面切分子动力学模拟 https://www.zhihu.com/video/1180033515843911680其实比起主动切割，我们其实更关心在拉应力条件下材料被拉断的过程，因为这个过程经常是个正反馈过程，只要外加拉应力超过一定的阈值，裂纹就会迅速扩展并导致断裂，因而也更加危险。
下面是一个拉伸断裂的分子动力学模拟[2]，不同的颜色代表不同的应力状态：
拉伸导致裂纹扩展的模拟 https://www.zhihu.com/video/1180044966368403456视频中的断裂整体上是直接沿着一个晶面把材料平整的撕开，也叫解理断裂，是典型的脆性断裂方式。这种断裂带来的变形很小，不能有效的吸收能量，因此我们并不希望看到这种断裂的发生。如何避免这类脆性断裂，也是传统材料学的核心内容之一。
不过上面的断裂并不是100%的脆性断裂，而是夹杂着少量的塑性变形。中间biubiubiu射出去的那个叫位错，位错的运动会带来一定的塑性变形。仔细看的话，你会发现当位错抵达表面后，部分原子的移动使表面产生了台阶，这便是塑性变形的微观体现。并且，位错发射能够使裂纹尖端变钝，降低应力集中的程度，从而增加裂纹扩展的难度，缓解脆性断裂。
参考
- ^Requirements for Ductile-mode Machining Based on Deformation Analysis of Mono-crystalline Silicon by Molecular Dynamics Simulation https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007850607000157
- ^molecular dynamics - crack propagation - Sy https://www.youtube.com/watch?v=h2ny1PWtaw0
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