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[材料科学] 能伸能屈的钻石

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yexuqing 发表于 2018-5-16 20:54:48 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
能伸能屈的钻石
作者:南方周末特约撰稿 祝叶华
2018-05-16 17:13:11 来源:科学
标签钻石 工业 应用


人类发现钻石的时间只有几百年,钻石内部奥秘被揭开的时间则更短。(视觉中国/图)

(本文首发于2018年5月10日《南方周末》)

科学家发现,当钻石被制作成微小的针状物时,它们会在一定条件下展现出奇妙的弹性,可以弯曲和拉伸而不会发生断裂,这一发现可能会打开钻石的工业应用前景。

人类发现钻石的时间只有几百年,钻石内部奥秘被揭开的时间则更短。由于都是由碳原子组成,所以钻石和石墨在本质上是孪生兄弟,不过由于晶体结构上的差异(碳原子排列方式的不同)导致两者在硬度上的悬殊,石墨质地柔软,钻石坚不可摧,所以掰弯石墨轻而易举,掰弯钻石却比登天还难。

2018年4月20日,一个国际研究小组在《科学》(Science)发表文章称,他们在钻石这种坚硬而易碎的材料中,意外地发现了弹性形变的存在:当钻石被制作成极其微小的针状物时,它们在一定条件下会发生弯曲和伸展,随后又会恢复到原来的形状。这项研究进一步证明,纳米级(300nm)的单晶体和多晶钻石针可以弯曲和拉伸,而且不会断裂,最高的弹性应变可达9%,随后还能回弹,恢复到原来的形态。这一发现可能会打开钻石的工业应用前景。

钻石纳米针的弹性

原子之间键的断裂行为控制着材料的强度,一般而言,固体材料的最大弹性拉伸应变只有0.2%~0.4%。钻石分子结构中,每个碳原子与其他4个碳原子牢牢结合,没有多余的自由电子,这种结合方式是自然界已知的最强的结合力,依托这一强大的结合力,钻石也就成为自然界中已知的最坚硬的矿物质。

在宏观和微观尺度上,通常不可能发生的事情,在纳米尺度上也许会有无限的可能。上述研究小组证明,厚度约是一根头发厚度千分之一的钻石纳米针,可以弯曲并拉伸,在压力消除后恢复到原来的状态。研究人员利用化学气相沉积的独特工艺培育出钻石纳米针,之后利用一颗钻石探测器给钻石纳米针的两侧施加压力,通过反应性离子刻蚀策略,制备得到特征尺寸约300nm的单晶纳米针尖钻石,并利用扫描电子显微镜给这个过程留下了“录像记录”,从而测量得到了每根钻石纳米针在不破裂情况下的弯曲程度。

参与该项研究的课题组之一、中国香港城市大学机械与生物医学工程系副教授陆洋研究组,针对金刚石这一特殊的脆硬材料,开发了一套独特的纳米力学实验,为这一材料量身定做了定量纳米力学测试方法,实现了电镜实时观察下对钻石纳米针样品进行压缩-弯曲的测试。结果显示,单晶钻石纳米针可以实现前所未有的变形,且在大范围内完成瞬间恢复。

研究人员还开发了一种计算机模型,模型预测其理论拉伸应变可以达到13%,理论拉伸强度可达到130GPa。但由于材料的缺陷等问题,使得原子键在达到最大强度之前,就发生非弹性弛豫或脆性断裂。因此实际测试表明,这种单晶纳米钻石最大拉伸应变为9%,已经非常接近理论弹性极限,其最大拉伸应力可达到89-98GPa,而非纳米结构的钻石拉伸强度不足10GPa。

计算机模型预测结果显示,相应的最大局部应力已经接近已知的金刚石的理想抗拉强度。随后,科学家采用高分辨透射电子显微镜对断裂前后的样品进行了原子尺度的微结构分析,探究纳米尺度下钻石纳米针的行为机理。他们发现,钻石纳米针之所以能够达到如此大的弹性应变,除了归结于样品在纳米尺寸下表现出的“愈小愈强”的“尺寸效应”,纳米尺寸钻石针本身近乎完美的内部晶体结构以及光滑的外表面也是重要因素。

广阔的应用前景

理论计算表明,当弹性应变超过1%时,物质的物理或化学性质会发生重大变化。而在纳米尺度下,钻石纳米针展现出非凡的弹性应变能力,可以将弹性应变提升到9%,这就为其电子特性的微调提供了机会。钻石的这种特性可以被用于定制机械、光学、磁性、电学和发光器件,成为各种应用设计的先进材料。

在生物传感应用中,研究人员利用钻石的瑕疵打造了“钻石钥匙”,应用于核磁共振(NMR)或核磁共振成像(MRI)中,实现了更精确的精确度和分辨率,这或许会开启磁共振研究的新领域。无论是天然钻石还是合成钻石,一般都含有氮原子杂质以及空位(碳原子的缺失),研究人员利用钻石中的氮-空位中心作为量子探针(“钻石探针”),实现了纳米级距离内感知极弱磁信号的能力。中国科学技术大学的杜江峰小组借助“钻石探针”的这种能力,获得在室温条件下单个蛋白质分子的磁共振谱,同时通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征,进而得到了这一蛋白质分子的动力学性质。研究结果发表于《科学》(Science)上。同期的“展望”栏目点评这一技术是“基于钻石的纳米磁探针,将磁共振成像的可探测体积精确到单个蛋白质分子水平”。

钻石的生物相容性,也越来越多地被用于医药领域。肿瘤对药物产生耐受是化疗中面临的棘手问题,“多药耐药”类型是其中一种特殊的肿瘤耐药方式,这种耐药方式使得肿瘤细胞会将“服下”的药物“吐”出来,导致很多药物对治疗肿瘤无效。为解决这个问题,美国西北大学研究人员设计出一种“纳米钻石”,将化疗药物阿霉素附着在“纳米钻石”上,之后将携带了药物的“纳米钻石”导入肝癌细胞中。结果证实,“纳米钻石”药物对肿瘤的杀伤效果比直接用阿霉素的效果好,而且“纳米钻石”降低了阿霉素的药物毒性,提高了安全性,该研究结果发表在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)上。

除此之外,纳米钻石还可以在量子计算机中发挥处理量子信息的功能。钻石具有良好的导热性,可以像温度计一样显示出其所处细胞内部环境的即时温度。因此,哈佛大学研究人员利用纳米钻石的量子效应,制作了精确度是现有技术十倍的纳米钻石“温度计”。他们在《自然》(Nature)发文称,用改良过的“温度计”能够测量到人类胚胎干细胞内部的温度变化。不仅如此,研究人员还将金纳米粒子注入细胞,通过激光加热细胞的不同部位,纳米钻石“温度计”可以精确控制加热点的选择和温度的调节。这样做的目的是能够利用激光对细胞的特定部分加热来杀死癌细胞,或许会成为一种研究细胞行为的新手段和不损害健康组织而治疗癌症的新方法。
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