科学家揭示了钻石如何弯曲和伸展

科学家揭示了钻石如何弯曲和伸展

这张扫描电子显微镜的图像显示,超细的钻石针(从底部上升起的锥形)被钻石尖(顶部黑色)推着。这些图像显示,钻石针可以弯曲9%,但仍能恢复到原来的形状。研究人员的好意

钻石是众所周知的所有天然材料,而且强大的力量是另一个紧密相关的财产:脆性。但是,现在,一个来自的国际研究人员团队麻省理工学院,香港,新加坡和韩国发现,当以极微小的针状形状生长时,钻石可以弯曲和伸展,更像橡胶,并击倒原来的形状。

令人惊讶的发现是本周在学刊中报道了一篇关于MIT材料科学与工程系的主要研究科学家的高级研究科学家的纸张。MIT Postdoc Daniel Bernoulli;曾提交人苏珊,前部队工程院长,现在新加坡南洋科技大学院长;研究生在香港城市大学享用Banerjee和Hongti Zhang;还有七人来自韩国蔚山Cuhk和机构。

如何弯曲钻石

钻石尖端侧表面弯曲的金刚石纳尼灯的实验(左)和仿真(右),显示出UltraRarge和可逆弹性变形。

研究人员所说的结果可以为各种基于钻石的设备打开门,以进行传感,数据存储,致动,在体内成像,光电子和药物输送中的传感,数据存储,致动,生物相容性。例如,Diamond已被探索为可能的生物相容性载体,用于将药物递送到癌细胞中。

该团队表明,狭窄的钻石针,类似于橡胶尖端的橡胶尖端,但只有几百纳米(亿米)横跨,可以弯曲和伸展多达9%而不会破坏,那么沃斯说,返回原来的配置。

Bernoulli说,普通钻石以散装形式表示,限制远低于1%的延伸。“看到纳米级钻石可以维持的弹性变形量非常令人惊讶,”他说。

“我们开发了一种独特的纳米机械方法,精确地控制和量化分布在纳米金刚石样本中的超级弹性应变,”CUHK的机械和生物医学工程副教授杨璐说。在超大弹性菌株下将晶体材料如金刚石,可以以显着的方式改变其机械性能以及热,光学,磁,电气,电子和化学反应性能,并且可用于设计团队通过“弹性应变工程”的特定应用材料。

弯曲钻石

金刚石纳尼的实验(左)和仿真(右)被钻石尖端侧表面弯曲成骨折,显示出UltraRarge弹性变形(大约9%的最大拉伸菌株)。

该团队测量了钻石针的弯曲,通过化学气相沉积工艺生长,然后通过在扫描电子显微镜中观察它们的扫描电子显微镜时蚀刻到它们的最终形状,同时用标准的纳米丁基钻石尖端(基本上是立方体的角落)。在使用该系统的实验测试之后,该团队做了许多详细的模拟来解释结果,并且能够精确确定钻石针的压力和应变可以容纳多少而不会破裂。

研究人员还开发了一种计算机模型,用于钻石针的实际几何形状的非线性弹性变形,发现纳米级金刚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金刚石的已知理想拉伸强度 - 即无缺陷金刚石可实现的理论极限。

当整个金刚石针制成一个晶体时,在拉伸应变下发生故障,高达9%。直到达到该临界水平,如果从针头缩回并且卸载样品,则可以完全反转变形。如果小针由许多钻石制成,则该团队表明它们仍然可以实现异常大的菌株。然而,多晶金刚石针实现的最大应变小于单晶金刚石针的一半。

永港黄,是民用环境工程教授和机械工程西北大学谁没有参与本研究,同意研究人员对这项工作的潜在影响的评估。他说:“在硬质材料 - 金刚石中,通过弹性应变工程调整其光学,光学机械,磁,呼吸道和催化性能的前所未有的可能性,对超大弹性变形的惊喜发现。

黄增加了“当弹性菌株超过1%时,通过量子力学计算预期显着的材料性能变化。在钻石中受到0至9%的受控弹性菌株,我们希望看到一些令人惊讶的财产变化。“

该团队还包括香港城市大学的袁木凤、刘佳斌、陆建、张文军和陆洋;以及韩国基础科学研究所的董吉晨和丁峰。这项研究得到了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中国国家自然科学基金的资助。

该团队测量了钻石针的弯曲,通过化学气相沉积工艺生长,然后通过在扫描电子显微镜中观察它们的扫描电子显微镜时蚀刻到它们的最终形状,同时用标准的纳米丁基钻石尖端(基本上是立方体的角落)。在使用该系统的实验测试之后,该团队做了许多详细的模拟来解释结果,并且能够精确确定钻石针的压力和应变可以容纳多少而不会破裂。

研究人员还开发了一种计算机模型,用于钻石针的实际几何形状的非线性弹性变形,发现纳米级金刚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金刚石的已知理想拉伸强度 - 即无缺陷金刚石可实现的理论极限。

当整个金刚石针制成一个晶体时,在拉伸应变下发生故障,高达9%。直到达到该临界水平,如果从针头缩回并且卸载样品,则可以完全反转变形。如果小针由许多钻石制成,则该团队表明它们仍然可以实现异常大的菌株。然而,多晶金刚石针实现的最大应变小于单晶金刚石针的一半。

西北大学的民用和环境工程和机械工程教授永港黄,他不参与这项研究,同意研究人员对这项工作的潜在影响的评估。他说:“在硬质材料 - 金刚石中,通过弹性应变工程调整其光学,光学机械,磁,呼吸道和催化性能的前所未有的可能性,对超大弹性变形的惊喜发现。

黄增加了“当弹性菌株超过1%时,通过量子力学计算预期显着的材料性能变化。在钻石中受到0至9%的受控弹性菌株,我们希望看到一些令人惊讶的财产变化。“

该团队还包括香港城市大学的袁木凤、刘佳斌、陆建、张文军和陆洋;以及韩国基础科学研究所的董吉晨和丁峰。这项研究得到了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中国国家自然科学基金的资助。

出版物:AMIT BANERJEE等,等,“纳米级钻石的Ultralarge Elastic变形”,Science,2018年4月20日:Vol。360,第6386页,第300-302页;DOI:10.1126 / science.aar4165

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