科學(xué)家在納米尺度下實(shí)現(xiàn)金剛石超彈性

4月20日，《科學(xué)》(Science)雜志報(bào)道了一項(xiàng)由中美科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)對(duì)金剛石在納米尺度下力學(xué)行為的重大發(fā)現(xiàn)：該項(xiàng)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恢復(fù)原狀，而其中單晶納米金剛石的局部彈性拉伸形變最大可以達(dá)到約百分之九，接近金剛石在理論上所能達(dá)到的彈性變形極限。

金剛石是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)。除了用作珍貴的珠寶裝飾外，另一個(gè)重要用途就是作為深井鉆探以及切割工具，對(duì)巖石、玻璃等極其堅(jiān)硬的物質(zhì)進(jìn)行高精度切割加工。在宏觀尺度下，通常金剛石表現(xiàn)不出絲毫變形行為。任何極端嘗試對(duì)其進(jìn)行變形的后果往往就是金剛石在還沒有達(dá)到可見形變之前就早早地發(fā)生了脆性斷裂。這也使得金剛石在一些可能承受機(jī)械變形的應(yīng)用中的使用受到了限制。

為針對(duì)金剛石這一特殊的脆硬材料進(jìn)行定量納米力學(xué)測(cè)試，中國(guó)香港城市大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“城大”)機(jī)械與生物醫(yī)學(xué)工程系副教授陸洋帶領(lǐng)研究小組基于城大先進(jìn)的電子顯微鏡平臺(tái)，發(fā)展了一套獨(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)納米金剛石錐樣品進(jìn)行壓縮-彎曲測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單晶金剛石納米錐可以實(shí)現(xiàn)前所未有的大變形且在極大范圍內(nèi)可完全瞬時(shí)回復(fù)。

為了進(jìn)一步定量分析其彈性形變量，美國(guó)麻省理工學(xué)院教授蘇布拉·蘇雷什(現(xiàn)南洋理工大學(xué)校長(zhǎng))和高級(jí)研究員道明領(lǐng)導(dǎo)的納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了精確而全面的模擬分析，確證單晶金剛石納米錐在拉伸側(cè)的彈性變形量達(dá)到了9%，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度接近其理論極限。研究人員表示，對(duì)于宏觀的金剛石，這樣的變形量前所未有、難以想象。

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)行了原子尺度的微結(jié)構(gòu)分析，探究納米尺度下金剛石的行為機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)，金剛石納米錐之所以能夠達(dá)到如此大的彈性應(yīng)變，除了歸結(jié)于樣品在納米尺寸下表現(xiàn)出的“尺寸效應(yīng)”(即通常所說的“愈小愈強(qiáng)”)外，納米尺寸金剛石錐本身近乎完美的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)以及光滑的外表面也是重要因素。“此外，相對(duì)于金屬材料容易產(chǎn)生塑性變形，金剛石穩(wěn)固的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)也使其不容易進(jìn)入塑性階段。”陸洋表示。

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)一步拓展納米金剛石在藥物傳輸、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)域等方面的應(yīng)用。

此外，超彈性本身也為納米結(jié)構(gòu)的金剛石在柔性器件的應(yīng)用中提供了可能，而其在巨大晶格形變下所引發(fā)的能帶結(jié)構(gòu)變化也將帶來(lái)一系列全新的“彈性應(yīng)變工程”應(yīng)用。 (科學(xué)網(wǎng))