中外科學(xué)家在納米尺度發(fā)現(xiàn)金剛石超彈性變形

本報(bào)北京4月24日電（記者吳月輝）日前，由中國香港城市大學(xué)陸洋副教授牽頭的國際聯(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。研究首次觀測到納米級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。該研究成果于4月20日發(fā)表在美國《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。任何極端嘗試對金剛石進(jìn)行變形的后果往往在還沒有達(dá)到可見形變之前就發(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)用受到限制。

為針對金剛石這一特殊的脆硬材料進(jìn)行納米尺度力學(xué)測試，陸洋帶領(lǐng)研究組基于掃描電子顯微鏡平臺，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%，對應(yīng)強(qiáng)度亦接近其理論極限。研究人員表示，對于宏觀的金剛石（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。

《 人民日報(bào) 》（ 2018年04月25日 12 版）