中外科學(xué)家在納米尺度發(fā)現(xiàn)金剛石超彈性變形

日前，由中國(guó)香港城市大學(xué)陸洋副教授牽頭的國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在納米尺度下金剛石的力學(xué)行為研究方面取得重大突破。研究首次觀測(cè)到納米級(jí)金剛石可承受前所未有的巨大形變且能迅速恢復(fù)原狀，其中單晶金剛石樣本的局部拉伸彈性形變量最大可達(dá)到約9%，接近金剛石在理論上可達(dá)到的彈性變形極限。該研究成果4月20日發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上。

眾所周知，金剛石是自然界最堅(jiān)硬的物質(zhì)。在宏觀尺度下，它通常被認(rèn)為表現(xiàn)不出絲毫變形行為。任何極端嘗試對(duì)金剛石進(jìn)行變形的后果往往在還沒(méi)有達(dá)到可見(jiàn)形變之前就發(fā)生脆性斷裂。這也使得它在一些可能承受機(jī)械變形的應(yīng)用中受到限制。

為針對(duì)金剛石這一特殊的脆硬材料進(jìn)行納米尺度力學(xué)測(cè)試，陸洋帶領(lǐng)研究組基于掃描電子顯微鏡平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)特的納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了電鏡實(shí)時(shí)觀察下對(duì)單晶和多晶金剛石納米針樣品(由香港城市大學(xué)張文軍實(shí)驗(yàn)室制備)進(jìn)行定量的“壓縮—彎曲”測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單晶和多晶金剛石納米針均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于宏觀金剛石數(shù)十倍以上的大變形且在極大范圍內(nèi)可完全回復(fù)。

為精確分析其形變量，美國(guó)麻省理工學(xué)院蘇布拉·蘇雷什教授和道明研究員領(lǐng)導(dǎo)的納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬分析，確證單晶金剛石納米針在拉伸側(cè)的彈性形變量達(dá)到約9%，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度亦接近其理論極限。研究人員表示，對(duì)于宏觀的金剛石(鉆石)，這樣的變形是前所未有、難以想象的。

隨后，陸洋及合作者采用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)斷裂前后的樣品進(jìn)行了原子尺度下的微結(jié)構(gòu)分析以及對(duì)應(yīng)的理論模擬，探究納米尺度金剛石的機(jī)械變形機(jī)理。

據(jù)介紹，此次發(fā)現(xiàn)的納米尺度下金剛石的超彈性行為將有助于進(jìn)一步拓展金剛石在藥物傳輸、生物探測(cè)和影像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光電器件領(lǐng)域，以及作為納米機(jī)械諧振器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等量子信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，超彈性變形本身也為納米結(jié)構(gòu)的金剛石在“彈性應(yīng)變工程”的潛在應(yīng)用提供了可能。 (人民網(wǎng))