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中外科学家在纳米尺度发现金刚石超弹性变形

 

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中外科学家在纳米尺度发现金刚石超弹性变形




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  中外科学家在纳米尺度发现金刚石超弹性变形

  本报北京4月24日电 (记者吴月辉)日前,由中国香港城市大学陆洋副教授牵头的国际联合研究团队在纳米尺度下金刚石的力学行为研究方面取得重大突破。研究首次观测到纳米级金刚石可承受前所未有的巨大形变且能迅速恢复原状,其中单晶金刚石样本的局部拉伸弹性形变量最大可达到约9%,接近金刚石在理论上可达到的弹性变形极限。该研究成果于4月20日发表在美国《科学》杂志上。

  众所周知,金刚石是自然界最坚硬的物质。在宏观尺度下,它通常被认为表现不出丝毫变形行为。任何极端尝试对金刚石进行变形的后果往往在还没有达到可见形变之前就发生脆性断裂。这也使得它在一些可能承受机械变形的应用受到限制。

  为针对金刚石这一特殊的脆硬材料进行纳米尺度力学测试,陆洋带领研究组基于扫描电子显微镜平台,设计了一套独特的纳米力学实验方法,实现了电镜实时观察下对单晶和多晶金刚石纳米针样品(由香港城市大学张文军实验室制备)进行定量的“压缩―弯曲”测试。实验结果显示,单晶和多晶金刚石纳米针均可实现远高于宏观金刚石数十倍以上的大变形且在极大范围内可完全回复。

  为精确分析其形变量,美国麻省理工学院苏布拉?苏雷什教授和道明研究员领导的纳米力学实验室对实验结果进行了模拟分析,确证单晶金刚石纳米针在拉伸侧的弹性形变量达到约9%,对应强度亦接近其理论极限。研究人员表示,对于宏观的金刚石(钻石),这样的变形是前所未有、难以想象的。

  随后,陆洋及合作者采用高分辨透射电子显微镜对断裂前后的样品进行了原子尺度下的微结构分析以及对应的理论模拟,探究纳米尺度金刚石的机械变形机理。

  据介绍,此次发现的纳米尺度下金刚石的超弹性行为将有助于进一步拓展金刚石在药物传输、生物探测和影像等生物医学领域,光电器件领域,以及作为纳米机械谐振器、数据存储器等量子信息技术领域的应用。此外,超弹性变形本身也为纳米结构的金刚石在“弹性应变工程”的潜在应用提供了可能。



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