香港城大Science重磅:当钻石纳米化,岂止够硬,还够软!90 GPa,9%变形!

纳米人 2019-01-15 12:10:20


第一作者:Amit Banerjee, Daniel Bernoulli, Hongti Zhang,

通讯作者:Ming Dao, Wenjun Zhang, Yang Lu, Subra Suresh

第一单位:香港城市大学

 

俗语有云:好鞍配好马,好刀用好钢。一种材料的强度高低,则是衡量其关键用途的重要指标。一般情况下,材料的最大强度受控制于原子之间键的断裂行为,实际情况下往往仅能达到理论上10%的弹性模量或剪切模量。由于材料中缺陷的存在,使得原子键在达到最大强度之前,就发生非弹性驰豫或脆性断裂。

 

固体材料的最大弹性拉伸应变一般只有0.2-0.4%1958年,Brenner在微米尺度晶须中实现了4%的拉伸应变。由于纳米材料中几乎不含缺陷,对于提高材料强度意义重大。因此,近年来,不断追求更强材料的科研工作者将目标转向纳米材料。同时,基于DFT计算的原子模拟和分子动力学模拟能够精确预测完美晶体的断裂强度,并测算缺陷和光滑表面的影响。


由于C-C键是自然界中最强的键,因此,大量基于碳的一维纳米材料和二维纳米材料成为了研究的焦点,譬如多壁碳纳米管、石墨烯等。

 


1. 各种高强度材料的强度对比

 

      有鉴于此,香港城市大学Yang LuWenjun Zhang与美国麻省理工学院的Ming Dao、新加坡南洋理工大学的Subra Suresh团队合作,报道了一种具有超大弹性变形能力的单晶纳米钻石,强度达到接近其理论极限的89-98 GPa,弹性形变达到9%

 


2. 纳米针尖状钻石的制备

 

研究人员首先通过CVD制备<111>取向的钻石薄膜,然后通过反应性离子刻蚀策略,制备得到特征尺寸约300 nm的单晶纳米针尖钻石。计算预测其理论拉伸应变为13%,理论拉伸强度可达到130 GPa。实际测试表明,这种单晶纳米钻石最大拉伸应变(9%)接近其理论弹性极限,相对应的,其最大拉伸应力可达到89-98 GPa,而体相钻石拉伸强度不足10 GPa

 

众所周知,钻石具有极高的强度,但是不具有弹性变形能力,如果你想要让钻石变形,唯一的办法就是打碎它。而这种纳米化的针尖状钻石则不仅具有超高的强度,还可以超大幅度的弹性变形。

 


3. 单晶纳米针尖状钻石的超大弹性变形

 

结合系统的计算模拟以及表征测试,研究人员认为,这种纳米钻石的超高强度和超大弹性变形的同时存在,一方面归根于小体积纳米钻石中的缺陷很少,另一发方面是因为纳米钻石比体相钻石具有更加光滑的表面。

 


4. 材料最大弹性拉伸应变汇总

 

总之,这项研究发展了一种具有超大变形能力的高强度材料,开辟了纳米钻石在微电子器件和药物输送等领域的新应用,并为钻石的纳米结构、形貌、弹性应变以及物理性能的设计与优化,带来了新的启发!


1. Amit Banerjee, Daniel Bernoulli, Hongti Zhang, Ming Dao, Wenjun Zhang, Yang Lu, Subra Suresh et al. Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond. Science 2018, 360, 300-302.

2. Javier LLorca. On the quest for the strongest materials. Science 2018, 360, 264-265.