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Science:纳米尺度下金刚石的超弹性
2019-01-22   科技处  责编:王晓佳  阅读6286次
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dnf私服发布网 www.phemphat.com 金刚石材料是最坚硬的天然材料,它也是碳材料大家族的重要成员之一,在机械学、生物医学、电子学和光子学领域有着广泛的应用。有研究发现通过调整其微观结构可以进一步提高金刚石的强度和硬度。但是,金刚石的机械性能却被可变形性差和脆性较高所限制。如果你设法使金刚石变形,通常意味着你破坏了金刚石。金刚石硬度非常高,但不会弹性变形,这限制了它们在某些应用中的实用性。这也就是为什么至今一提到金刚石我们都会想到它可以作为模具是最硬的材料,但不会把它跟金属一样的延展性或是跟弹性体一样的弹性联系在一起。因此,在纳米尺度下,金刚石的力学行为将会怎样,这是目前纳米力学里面一个饶有趣味的问题。

针对金刚石具的相当大的硬度和强度,试图使金刚石变形通?;岬贾麓嘈远狭颜庖晃侍?。 香港城市大学的张文军、陆洋、麻省理工学院Ming Dao、南洋理工大学Subra Suresh(共同通讯)等研究报道了对于纳米级(~300nm)单晶和多晶金刚石,均可以实现前所未有的极大变形且在很大范围内可完全瞬时恢复,证明了单晶和多晶金刚石纳米锥具有超大的弹性以及完全可逆的弹性形变。对于单晶金刚石,最大拉伸应变(高达9%)接近理论弹性极限,相应的最大拉伸应力达到约8998 GPa。

为揭示其内在机理,研究人员通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对断裂前后的样品进行原子尺度的微结构表征分析,并结合第一性原理和分子动力学模拟计算。将同时存在的高强度和大弹性应变归因于小体积金刚石纳米锥与微米级和更大的试样相比缺陷少(纳米尺寸下表现出的“尺寸效应”,即通常所说的“愈小愈强”),纳米尺寸金刚石锥本身近乎完美的内部晶体结构以及光滑的外表面也是重要因素。

该研究通过对金刚石纳米结构、几何形状、弹性应变和物理性质进行优化设计,研究结果将有助于进一步拓展纳米金刚石在生物成像和生物传感领域、应变介导的纳米机械共振器、药物传递、数据存储、光学仪器以及超强度纳米结构等领域的潜在应用。超弹性本身也为金刚石在柔性器件中的应用提供了可能,而其在巨大晶格形变下所可能引发的能带结构变化也会带来潜在新兴“弹性应变工程”应用。

1. 实验装置和纳米锥表征。(A)扫描电镜下进行原位“压缩-弯曲”测试的高质量单晶金刚石纳米锥。(B)近距离观察纳米压头“立方体角”钻石尖端的排列,以及一个独立的金刚石纳米锥。(C)原位扫描电镜纳米锥“压缩-弯曲”实验示意图。(D)原始金刚石纳米锥样品的原子级结构(插图比例尺,1nm)和(E)断裂后的纳米锥的平滑断裂表面。

 

2.在单晶纳米锥中实现的超大弹性变形。(A)纳米锥在加载期间和随后在卸载后完全恢复时的弯曲变形的SEM照片。(B)随后对纳米锥进行相同的加载以及更大的变形直到灾难性的断裂点(B2显示在骨折之前的最大变形,B3显示断裂发生后的瞬间,并且B4提供了光滑断裂表面的的特写视图,断裂面具有特征角度方向)。(C)载荷-位移曲线 通过将纳米压头尖端推到纳米锥上以获得完全可逆的弹性变形(蓝色曲线)和最终的断裂运行(红色曲线)来测量。(D)弯曲过程的有限元模拟,再现了弯曲的形状并显示纳米锥的局部弹性。

 

该项研究发表于国际顶级期刊《Science》上:Banerjee, A., Bernoulli, D., Zhang, H., Yuen, M. F., Liu, J., & Dong, J., et al. Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond. Science, 2018, 360(6386), 300-302.(译文:岳文/工程技术学院)

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