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科学家揭示钻石如何弯曲和伸展

发布时间:2018-05-14

该扫描电子显微镜图像显示由金刚石尖端(顶部为黑色形状)推动的超细钻石针(从底部上升的锥形)。这些图像显示,钻石针可以弯曲多达9%,并仍然恢复到原来的形状。礼貌的研究人员

钻石是众所周知的最强的天然材料,并且这种强度带来了另一个紧密相连的特性:脆性。但现在,麻省理工学院,香港,新加坡和韩国的一个国际研究小组发现,当生长在非常细小的针状形状中时,钻石可以像橡胶一样弯曲和拉伸,并恢复到其原始形状。

本周在科学杂志上发表了一篇令人惊讶的发现,该报道由麻省理工学院材料科学与工程系主要研究科学家资深作者明道撰写;麻省理工学院博士后Daniel Bernoulli;高级作者Subra Suresh,前MIT工程院院长,现任新加坡南洋理工大学校长;香港城市大学研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang;另有七人来自中大和韩国蔚山的机构。

金刚石纳米针的实验(左)和模拟(右)在金刚石尖端的侧面弯曲,显示超大且可逆的弹性变形。

研究人员表示,研究结果可能为各种基于钻石的设备打开大门,用于传感,数据存储,驱动,生物相容性体内成像,光电子和药物输送等应用。例如,钻石已被探索作为一种可能的生物相容性载体,用于将药物输送到癌细胞中。

研究小组表明,这种狭窄的钻石针形状与牙刷末端的橡胶尖端相似,但是只有几百纳米(十亿分之一米),可以弯曲和伸展9%而不会断裂,然后Dao说,回到原来的配置。

伯努利说,普通的大块钻石的弹性极限低于1%。 “看到纳米级金刚石可以承受的弹性变形量是非常令人惊讶的,”他说。

“我们开发了一种独特的纳米力学方法来精确控制和量化分布在纳米金刚石样品中的超大弹性应变,”中大机械与生物医学工程高级合着者兼副教授杨路说。将晶体材料如金刚石置于超大弹性应变下,就像这些零件弯曲时发生的那样,能够以显着的方式改变它们的机械性能以及热,光,磁,电,电和化学反应性质,并且可用于设计该团队说,通过“弹性应变工程”为特定应用提供材料。

金刚石纳米针的实验(左)和模拟(右)弯曲成由金刚石尖端的侧面断裂,显示出超大的弹性变形(最大拉伸应变约9%)。

该团队测量了通过化学气相沉积过程生长的钻石针的弯曲,然后通过在扫描电子显微镜中观察它们而刻蚀到它们的最终形状,同时用标准纳米压痕金刚石尖端按压针(基本上立方体的角落)。经过使用该系统的实验测试后,该团队进行了许多详细的模拟以解释结果,并能够精确确定钻石针在不断裂的情况下可承受多少应力和应变。

研究人员还针对钻石针的实际几何形状开发了非线性弹性变形的计算机模型,并发现纳米级钻石的最大拉伸应变高达9%。计算机模型还预测相应的最大局部应力接近已知的理想的金刚石拉伸强度 - 即无缺陷金刚石可达到的理论极限。

当整个钻石针由一个晶体制成时,在高达9%的拉伸应变下发生破坏。在达到这个临界水平之前,如果探针从针中缩回并且样品被卸载,则变形可以完全逆转。如果小针头是由许多颗钻石制成的,该团队表明他们仍然可以实现异常大的应变。然而,多晶金刚石针头获得的最大应变小于单晶金刚石针头的一半。

西北大学土木与环境工程与机械工程教授黄永刚并没有参与这项研究,他同意研究人员对这项工作潜在影响的评估。 “在硬脆材料 - 金刚石中发现超大弹性变形的惊人发现 - 通过弹性应变工程技术为其调整其光学,光学机械,磁性,声子和催化性能开辟了前所未有的可能性”,他说。

Huang补充说:“当弹性应变超过1%时,通过量子力学计算可以预期显着的材料性能变化。随着钻石中0到9%的可控弹性应变,我们预计会看到一些令人惊讶的性能变化。“

该团队还包括香港城市大学的Muk-Fung Yuen,刘家斌,陆健,张文军和杨路;以及韩国基础科学研究所的Jichhen Dong和Feng Ding。该研究由香港特别行政区研究资助局,新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟(SMART),新加坡南洋理工大学和国家自然科学基金会资助。

该团队测量了通过化学气相沉积过程生长的钻石针的弯曲,然后通过在扫描电子显微镜中观察它们而刻蚀到它们的最终形状,同时用标准纳米压痕金刚石尖端按压针(基本上立方体的角落)。经过使用该系统的实验测试后,该团队进行了许多详细的模拟以解释结果,并能够精确确定钻石针在不断裂的情况下可承受多少应力和应变。

研究人员还针对钻石针的实际几何形状开发了非线性弹性变形的计算机模型,并发现纳米级钻石的最大拉伸应变高达9%。计算机模型还预测相应的最大局部应力接近已知的理想的金刚石拉伸强度 - 即无缺陷金刚石可达到的理论极限。

当整个钻石针由一个晶体制成时,在高达9%的拉伸应变下发生破坏。在达到这个临界水平之前,如果探针从针中缩回并且样品被卸载,则变形可以完全逆转。如果小针头是由许多颗钻石制成的,该团队表明他们仍然可以实现异常大的应变。然而,多晶金刚石针头获得的最大应变小于单晶金刚石针头的一半。

西北大学土木与环境工程与机械工程教授黄永刚并没有参与这项研究,他同意研究人员对这项工作潜在影响的评估。 “在硬脆材料 - 金刚石中发现超大弹性变形的惊人发现 - 通过弹性应变工程技术为其调整其光学,光学机械,磁性,声子和催化性能开辟了前所未有的可能性”,他说。

Huang补充说:“当弹性应变超过1%时,通过量子力学计算可以预期显着的材料性能变化。随着钻石中0到9%的可控弹性应变,我们预计会看到一些令人惊讶的性能变化。“

该团队还包括香港城市大学的Muk-Fung Yuen,刘家斌,陆健,张文军和杨路;以及韩国基础科学研究所的Jichhen Dong和Feng Ding。该研究由香港特别行政区研究资助局,新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟(SMART),新加坡南洋理工大学和国家自然科学基金会资助。

出版物:Amit Banerjee等,“纳米级金刚石的超大弹性变形”,科学,2018年4月20日:Vol。 360卷,6386期,第300-302页; DOI:10.1126 / science.aar4165

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