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如何弯曲钻石呢

2019年03月06日 栏目:旅游

众所周知,钻石是坚硬的天然材料。然而,伴随硬度而来的还有脆性:或许他们很坚硬,但却不够柔软。现在,一支国际团队的研究人员已经验证了:钻

众所周知,钻石是坚硬的天然材料。然而,伴随硬度而来的还有脆性:或许他们很坚硬,但却不够柔软。

现在,一支国际团队的研究人员已经验证了:钻石——这种材料常被认为是非柔性的——是可以被弯曲并且被显著拉伸的。研究人员展示了这样的钻石可承受的拉伸弹性应变可达约9%,接近这种材料的理论极限。

研究人员相信这些强化了力学性能的纳米金刚石会比预期当中更加耐用,并且由此能够在涉及到机械荷载的诸多方面有所应用。它们成为了应用在诸如基于针状金刚石的细胞内传送的备选材料。但它的柔性对金刚石的光学或电学性质产生何种影响,这一点在长远来看也许是重要的问题。

根据《科学》杂志(Science)所述,中国的香港城市大学(City University of Hong Kong)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)、韩国的蔚山国立科学技术大学(Ulsan National Institute of Science and Technology,UNIST)和新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University in Singapore)的科学家利用化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)生出金刚石薄层,在此基础上使用反应离子腐蚀技术(reactive ion etching,RIE)做出了直径为纳米级(大约100到300纳米)的针状金刚石。

终得到的材料显示,即便是金刚石这样坚硬、易碎的晶体材料,把他们的尺寸减小至纳米尺度可以从根本上改变他们的力学性能。

据香港城市大学的副教授Yang Lu说,虽然对于材料而言,内部晶体结构的纯度和表面的光滑度是很重要的参数,要想让金刚石拥有柔性,突破点其实在于“大小”,即需达到该针状纳米金刚石的尺寸/直径。

单柔性而言,将金刚石应用到对机械荷载有更多要求的地方是非常好的,但是与此同时,伴随着弯曲而来,还有量子力学效应。

根据麻省理工学院纳米力学实验室(MIT’s Nanomechanics Lab)的首席调查员兼主任、该研究合著者Ming Dao所言,先前的理论研究表明,量子力学的计算结果指出,当弹性应变超过1%时,由于带隙结构的改变,材料的物理与/或化学性能会发生显著的变化。

“这些性能变化中或许包含了在机械、热力学、光学、磁学、电学、电子和化学反应性质这些方面值得关注的变化,并且可以被用于设计多种在新兴的‘弹性应变工程’(elastic strain engineering)中有所应用的先进材料。”Ming Dao说道。“如果我们能在0至9%之间实时改变纳米金刚石的弹性应变值,对这种前所未有材料性能的探索有着很大的潜力。”

两年以来,在模拟实验和实时实验之间多次仔细地重复后,

如何弯曲钻石呢

Ming Dao说他和他的同事们已经成功简化此纳米机械过程并能精确控制和量化纳米金刚石的弹性形变。终用到的这种方法能够精确的控制并且动态改变在断裂极限下应变的结果。当然,这也就意味着它的电学性能也会在发生动态改变。

然而纳米金刚石弹性水平可能改变他们的带隙结构,在纳米金刚石紧密的应变晶格中掺入其他物质也许会在金刚石的电学和光学性能方面引领一场改革式的变化,Yu说道。“这有可能使金刚石在光电方面出现很多新型的应用,比如用于制作能量更强或者光谱范围更广的激光器或微波发射器(放射物受激发射后微波振幅放大)。”

这些应用朝向商业化迈进的步则要求研究人员在良好定义的几何结构和晶体结构之下对金刚石的纳米结构进行精细的加工。

对于光电方面的应用来说,另一个挑战是,对弹性应变之下单晶金刚石纳米结构的局部光学/电学性能进行实时的量化和控制,据Lu说道。

Lu补充道:“我们会与物理学家和电气工程师们努力去开拓纳米金刚石弹性结构在光电方面是应用,也许我们甚至能找到它在新兴的基于金刚石的量子计算技术方面的应用。”

原文作者:Dexter Johnson

(翻译:白祎臻 审校:戴晨)

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