最硬鑽石也有彈性：納米尺度下的「硬漢柔情」
在最新一期的世界頂級學術期刊《科學》雜志上，其刊登的《Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond》一文宣布了這項金剛石在納米尺度下力學行為的重大發(fā)現。該研究項目由香港城市大學機械與生物醫(yī)學工程系副教授、香港城市大學深圳研究院先進結構材料研究中心（CASM）研究員陸洋課題組領銜展開。這支由中美科學家領導的國際科研團隊首次報道，在納米尺度下，即金剛石的大小降至約100納米（約人類頭發(fā)六百分之一粗幼）時，就可承受前所未有的巨大形變且能恢復原狀，而其中單晶納米金剛石的彈性拉伸形變最大可以達到約百分之九，接近金剛石在理論上所能達到的彈性變形極限。
此前，陸博士團隊成功在單晶硅納米在線實現了超彈性的突破，並在2016年美國《科學》子刊《科學進展》雜志上發(fā)表了相關研究結果《Approaching the ideal elastic strain limit in silicon nanowires》，造成極大反響。當時這項納米力學發(fā)現讓陸洋副教授腦洞大開：既然像硅那樣脆硬的晶體材料也可能在納米尺度下展現出彈性，那世上最堅硬的物質金剛石是否也可能有超彈性？以此為契機，陸博士和他的團隊開始探索探究金剛石的納米力學行為。
為了這次研究，陸博士研究團隊運用香港城市大學材料科學與工程系教授、超金剛石與先進薄膜研究中心副主任張文軍教授課題組特別制備的研究用納米金剛石錐樣品來進行測試。
如何測量金剛石的力學性能，是研究團隊需要面對的挑戰(zhàn)。陸博士解釋，一般情況下要測試某種物料的機械性能，必須要找比該物料更硬的東西去對撞，因而一向用來測量物質強度的納米壓痕儀(nanoindenter)，其用來撞向測試物料的最尖端部分也是用金剛石制造的。但現在要測試的是金剛石，這便出現了“矛盾”︰“要用最硬的物質，刺向最硬的物質”。
最初，他們采用傳統(tǒng)「尖對尖」的納米壓痕方法，用納米壓痕儀尖端部分直接刺向納米金剛石錐樣品，結果不僅無法得到測試數據，甚至損壞了昂貴的金剛石壓痕儀的壓頭。
然而他們沒有放棄。在經過大量探索性實驗之後，他和研究團隊重新調整了方向思路，最後在城市大學先進的電子顯微鏡設備和先進結構材料研究中心的納米壓痕儀平臺基礎上，針對鑽石這一特殊對像，發(fā)展了一套獨特而嶄新的納米力學測試方法：在電鏡實時觀察下，對納米金剛石錐樣品進行壓縮-彎曲測試，即利用cube-corner納米壓痕儀的壓頭尖端的某一面，壓向金剛石納米錐導致其彎曲變形。實驗結果發(fā)現，單晶金剛石納米錐可以實現前所未有的大變形，且可在極大範圍內瞬間恢復原狀。
那麼金剛石的彈性形變量到底是多少？為此，陸博士聯合由美國麻省理工學院蘇布拉·蘇雷什教授（現南洋理工大學校長）和道明博士領導的納米力學實驗室專家團隊，對實驗結果進行了精確的有限元分析，結果確認，單晶金剛石納米錐在拉伸側的彈性應變達到了約9%的高度，而且對應強度也接近其理論極限。此前，如此高的形變量對於宏觀的金剛石來說，根本無法想像。
研究團隊同時還對具備同樣形貌尺寸的多晶金剛石納米錐進行了對比測試，發(fā)現其最大彈性應變值為約3.5%，只有對應的單晶樣品彈性形變均值的一半左右。即便如此，多晶金剛石納米錐仍然比宏觀金剛石樣品通常所能達到的約0.3%的彈性應變高了整整一個數量級。
為探究其機理，陸博士團隊進一步使用高分辨透射電子顯微鏡對斷裂前後的樣品進行了原子尺度的微結構分析，最終發(fā)現：金剛石納米錐之所以能夠達到如此大的彈性應變，除了是樣品在納米尺寸下表現出了愈小愈強的“尺寸效應”（size effect）之外，納米金剛石錐本身近乎完美的內部晶體結構以及光滑的外表面也是重要因素。
經過無數通宵達旦的實驗，最後發(fā)現「原來金剛石在納米尺度下是有彈性」時，陸博士形容自己和團隊心情都很激動。他說︰「這項發(fā)現將徹底改變我們對鑽石的一貫認知。」
納米尺度下金剛石超彈性行為的發(fā)現，對於金剛石的應用有著重要意義，這將進一步拓展納米金剛石在生物學領域的應用，包括藥物傳輸、生物探測和生物影響等；也能夠在光電器件領域、量子信息技術領域發(fā)揮作用，比如作用於納米機械諧振器、數據存儲器等。此外，金剛石納米結構的超彈性也為其在柔性電子器件的應用提供了可能性。
金剛石納米結構在巨大晶格形變下所可能引發(fā)的能帶結構變化，亦將導致材料在其他物理性質方面發(fā)生根本性的改變，從而帶來一系列全新的「彈性應變工程」應用。如今，鑽石不僅僅能夠發(fā)揮它“硬漢”的一面，未來也會展現“溫柔”的特性，在眾多領域發(fā)揮作用。
該項目主要由香港研究資助局以及國家自然科學基金的資助，除城大外，研究合作機構包括麻省理工學院、韓國蔚山科技大學以及新加坡南洋理工大學。香港城市大學機械與生物醫(yī)學工程系Amit Banerjee博士、張洪題博士和麻省理工學院材料科學與工程系Daniel Bernoulli博士為該論文共同第一作者，香港城市大學陸洋副教授，張文軍教授、麻省理工學院道明博士和新加坡南洋理工大學校長蘇布拉·蘇雷什教授為共同通訊作者。
這次研究團隊成員還包括︰香港城市大學副校長、機械工程系講座教授呂堅教授、機械與生物醫(yī)學工程系的劉嘉斌博士（現浙江大學材料系副教授）、材料科學與工程系的袁牧鋒博士以及韓國蔚山科學技術院Institute for Basic Science 的董際臣和丁峰教授。
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