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怎样弯曲和拉伸金刚石

日期:2018/5/10
来源:环球科学

 

  扫描电子显微镜下的超细金刚石针(从底部升起的锥状物体)正被金刚石尖端(顶部的黑状物体)按压。图像显示,金刚石针在弯曲程度达到9%后,仍然可以恢复到原来的形状。

  众所周知,金刚石是所有天然材料中最坚硬的,而如此高的强度导致了另一种密切相关的特性:脆性。然而最近一个由来自麻省理工学院、香港、新加坡和韩国的研究人员组成的国际研究团队发现,当金刚石生长成极细的针状时,它就可以像橡胶一样弯曲和伸展,并能重新恢复到原来的形状。

  这个惊人的发现在本周出版的Science杂志上发表,该论文的作者包括,共同资深作者、美国麻省理工学院(MIT)材料科学与工程系首席研究员Ming Dao,麻省理工学院博士后Daniel Bernoulli,共同资深作者、前麻省理工学院工程院院长、现任新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)校长Subra Suresh,香港城市大学(City University of Hong Kong)研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang,以及另外七位来自香港中文大学(CUHK)和韩国蔚山机构的研究人员。

  研究人员表示,该研究结果可能为各种以金刚石为基础的设备提供新思路,如传感、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,目前金刚石已被视为一种具有生物相容性的潜在载体材料,可用于将药物输送到癌细胞中。

  Dao说,他们的研究成果显示,这种与某些牙刷末端的橡胶尖端相似、但只有几百纳米(十亿分之一米)的窄小的金刚石针,可以弯曲、伸展9%而不断裂,并且能恢复为原来的形态。

  普通金刚石块的弹性极限远低于1%。“看到纳米级金刚石能承受这么大的弹性形变量是非常令人惊讶的。”Bernoulli说。

  该论文的共同资深作者,香港中文大学机械与生物医学工程学院副教授杨路说:“我们开发了一种独特的纳米力学方法来精确控制和测算纳米金刚石样品中的超大弹性应变。”该团队表示,金刚石属于晶体材料,如果使其发生超大形变,就如同其他晶体材料一样——其机械性能、热、光、磁、电气、电子和化学反应性质等特征都会发生变化,从而可通过“弹性应变工程”为特定应用设计材料。

  该团队通过化学气相沉积过程生长出金刚石针,并通过刻蚀得出它们的最终形状。然后利用扫描电子显微镜观察标准纳米压痕金刚石尖端(即金刚石立方体的一角)按压金刚石针的过程,并测量了它们的弯曲。使用该系统进行实验测试后,该团队做了许多详细的仿真模型来解释结果,并能够精确地确定金刚石针在不断裂的情况下可承受多大的应力和应变。

  研究人员还针对金刚石针的实际几何形状开发了一套模拟非线性弹性变形的计算机模型,并发现纳米级金刚石的最大拉伸应变高达9%。该计算机模型所预测出的最大局部应力接近已知的理想金刚石拉伸强度——即无缺陷金刚石可达到的理论极限。

  当整个金刚石针是由单个晶体制成时,在高达9%的拉伸应变下才发生破坏。在达到这个临界值之前,如果探头从金刚石针上缩回,使样品卸载,则变形是完全可逆的。如果小针头是由多颗金刚石制成的,该团队表示它们仍然可以承受相当大的应变。然而,多晶金刚石针能达到的最大应变不足单晶金刚石针的一半。

关键字:金刚石
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