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眾所周知，鉆石是強度最高的天然材料，并且這種材料還有一個與強度緊密相連的特性：脆性。 但現(xiàn)在，由來自于麻省理工學(xué)院，香港，新加坡和韓國的研究人員組成的一個國際研究小組發(fā)現(xiàn)，當鉆石晶體成長為非常細小的針狀形狀時，鉆石可以像橡膠一樣彎曲和拉伸，并恢復(fù)到其原始的形狀。
本周，有關(guān)這項令人驚訝發(fā)現(xiàn)的文章發(fā)表在 journal Science雜志上。這篇文章主要是由麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系研究科學(xué)家和資深作者 Ming Dao、麻省理工學(xué)院博士后Daniel Bernoulli、前MIT工程院院長，現(xiàn)任新加坡南洋理工大學(xué)校長Subra Suresh、香港城市大學(xué)研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang等人、以及來自CUHK和韓國的Ulsan機構(gòu)的另外七人撰寫。
金剛石納米針在金剛石尖端的側(cè)面彎曲實驗（左）和模擬（右），金剛石納米探針表現(xiàn)出超大且可逆的彈性變形
研究人員表示，研究結(jié)果可使各種基于鉆石的設(shè)備有更多開創(chuàng)性的應(yīng)用。這些應(yīng)用主要是在傳感，數(shù)據(jù)存儲，驅(qū)動，生物相容性體內(nèi)成像，光電子和藥物輸送等方面。例如，鉆石已被研究作為一種可能的生物相容性載體，用于將藥物輸送到癌細胞中。
Dao說：研究小組研究發(fā)現(xiàn)這種狹窄的鉆石針形狀與牙刷末端的橡膠尖相似，但只有幾百納米（十億分之一米）。鉆石針可以彎曲并伸展9％而不會斷裂。
Bernoulli 說：“普通的大塊鉆石的彈性極限低于1％，納米金剛石可以承受的彈性變形量是非常令人驚訝的。”香港中文大學(xué)機械與生物醫(yī)學(xué)工程系副教授也是這項研究的主要合作者說：“通過一種獨特的納米力學(xué)方法來精確控制和量化納米金剛石樣品的超大彈性應(yīng)變分布。”將金剛石等晶體材料置于超大彈性應(yīng)變（如使這些部件彎曲）下，能夠以顯著的改變它們的機械性能以及熱，光，磁，電，化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。并且該設(shè)計團隊表示可以通過“彈性應(yīng)變工程”為特定應(yīng)用設(shè)計材料。
金剛石納米針的實驗（左）和模擬（右）彎曲成由金剛石尖端的側(cè)面斷裂，表現(xiàn)出了超大的彈性變形（最大拉伸應(yīng)變約9％）
該團隊測量了通過化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)的鉆石針的彎曲情況。然后通過掃描電子顯微鏡觀察并表征它們的最終形狀。同時用標準納米壓痕儀測其力學(xué)性能。在使用該系統(tǒng)的實驗測試后，該團隊進行了許多詳細的模擬來說明實驗結(jié)果，并能夠精確確定鉆石針在不破裂的情況下可承受的應(yīng)力和應(yīng)變。
研究人員還開發(fā)了針對鉆石針實際幾何形狀的非線性彈性變形的計算機模型，并發(fā)現(xiàn)納米級鉆石的最大拉伸應(yīng)變高達9％。計算機模型還預(yù)測了接近于已知的理想金剛石拉伸強度（即無缺陷金剛石可達到的理論極限）相應(yīng)的最大局部應(yīng)力。
當整個鉆石針由一個晶體構(gòu)成時，在高達9％的拉伸應(yīng)變下發(fā)生破壞。在達到這個臨界水平之前，如果探針縮回并且施加在樣品上的力被卸載，則變形可以完全逆轉(zhuǎn)。該團隊表發(fā)現(xiàn)，如果小針頭是由許多鉆石晶體構(gòu)成的，它們?nèi)匀豢梢詫崿F(xiàn)非常大的應(yīng)變。然而，多晶金剛石針頭獲得的最大應(yīng)變比單晶金剛石針頭的一半還要小。
西北大學(xué)土木與環(huán)境工程與機械工程教授黃永剛并沒有參與這項研究。他同意研究人員對這項工作潛在影響的評估。他說：“在金剛石這種硬脆材料發(fā)現(xiàn)超大彈性變形，為通過彈性應(yīng)變工程調(diào)整其光學(xué)、光機械、磁、光學(xué)和催化性能提供了前所未有的可能性。”
Huang補充說：“當彈性應(yīng)變超過1％時，通過量子力學(xué)計算可以預(yù)期到材料性能的顯著變化。在控制鉆石彈性應(yīng)變率從0%到9%這一過程中，我們會看到一些可預(yù)計的令人驚訝的性能變化。“
該團隊還包括香港城市大學(xué)的Muk-Fung Yuen，劉家斌，陸健，張文軍和楊路，以及韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的Jichhen Dong和Feng Ding。該研究由香港特別行政區(qū)研究資助局，新加坡 - 麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART），新加坡南洋理工大學(xué)和國家自然科學(xué)基金會資助。
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