科學家在納米尺度下實現金剛石超彈性

4月20日，《科學》(Science)雜志報道了一項由中美科學家領導的國際科研團隊對金剛石在納米尺度下力學行為的重大發現：該項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恢復原狀，而其中單晶納米金剛石的局部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。

金剛石是世界上最堅硬的物質。除了用作珍貴的珠寶裝飾外，另一個重要用途就是作為深井鉆探以及切割工具，對巖石、玻璃等極其堅硬的物質進行高精度切割加工。在宏觀尺度下，通常金剛石表現不出絲毫變形行為。任何極端嘗試對其進行變形的后果往往就是金剛石在還沒有達到可見形變之前就早早地發生了脆性斷裂。這也使得金剛石在一些可能承受機械變形的應用中的使用受到了限制。

為針對金剛石這一特殊的脆硬材料進行定量納米力學測試，中國香港城市大學(以下簡稱“城大”)機械與生物醫學工程系副教授陸洋帶領研究小組基于城大先進的電子顯微鏡平臺，發展了一套獨特的納米力學實驗方法，實現了電鏡實時觀察下對納米金剛石錐樣品進行壓縮-彎曲測試。實驗結果顯示，單晶金剛石納米錐可以實現前所未有的大變形且在極大范圍內可完全瞬時回復。

為了進一步定量分析其彈性形變量，美國麻省理工學院教授蘇布拉·蘇雷什(現南洋理工大學校長)和高級研究員道明領導的納米力學實驗室團隊對實驗結果進行了精確而全面的模擬分析，確證單晶金剛石納米錐在拉伸側的彈性變形量達到了9%，對應強度接近其理論極限。研究人員表示，對于宏觀的金剛石，這樣的變形量前所未有、難以想象。

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行了原子尺度的微結構分析，探究納米尺度下金剛石的行為機理。他們發現，金剛石納米錐之所以能夠達到如此大的彈性應變，除了歸結于樣品在納米尺寸下表現出的“尺寸效應”(即通常所說的“愈小愈強”)外，納米尺寸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。“此外，相對于金屬材料容易產生塑性變形，金剛石穩固的共價鍵結構也使其不容易進入塑性階段。”陸洋表示。

此次發現的納米尺度下金剛石的超彈性行為將有助于進一步拓展納米金剛石在藥物傳輸、生物探測和影像等生物醫學領域，光電器件領域以及作為納米機械諧振器、數據存儲器等量子信息技術領域等方面的應用。

此外，超彈性本身也為納米結構的金剛石在柔性器件的應用中提供了可能，而其在巨大晶格形變下所引發的能帶結構變化也將帶來一系列全新的“彈性應變工程”應用。 (科學網)