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钻石都弯了,还有什么不能?

文章作者:www.8455.com,澳门葡亰娱乐场手机版 上传时间:2019-05-02

这个世界上还有什么是不能弯的吗?

如果有的话,那可能就是钻石了。

www.8455.com 1Blingbling的钻石们,图片来源: Gia.edu

掰弯钻石的机会可能不多,不过不妨想象一下冰糖。你能掰弯冰糖吗?首先,冰糖的硬度就让你无从下手。那,假设是一根棒状的冰糖,是不是很容易就能被掰弯呢?答案仍然是否定的,你只要轻轻一掰,它立刻就断成两截了。这种现象的原因在于,冰糖的不仅硬,也特别脆。相比于被掰弯,它更容易破碎。

在自然界里,大体来说,越硬的材料也越脆。钻石,作为自然界中已知最硬的材料,当然也非常的脆。因此,我们可以很容易地敲碎钻石,但是想要掰弯它,确实难上加难。

不过,以上这些都是宏观尺度的规律,当材料的尺度降到纳米级别,往往会展现出非同一般的物理性质。比如今天,就有一群来自中国香港和新加坡的科学家们在《科学》(Science)杂志上宣布,他们“掰”弯了钻石!

www.8455.com 2被“纳米压痕”掰弯的纳米钻石针。
来源:NTU Singapore, MIT, City University of Hong Kong, Institute for Basic Science, Korea, and the Institute of Science and Technology, Korea.

如何分三步掰弯钻石

科学家们掰弯的,可不是镶嵌在戒指上的那种钻石,而是一根小小的纳米钻石针,每一根的长度大约是500到1000纳米——头发直径的百分之一那么长。

为了得到纳米钻石针,并“掰”弯它,我们需要三个步骤。

www.8455.com 3图片下方一片针尖状的突起,就是纳米钻石针。图片上方的“立方锥”是一种名为“纳米压痕”的设备。图片来源:参考文献[1]

第一步,做一层钻石膜

首先,你需要一个密闭空间,往里面通入甲烷气体。然后,对这个密闭空间施加一些极端条件,比如说高温或高压,将甲烷分子破坏掉。甲烷分子的结构是一个碳原子连接四个氢原子。破坏掉这个结构也就是把碳原子和氢原子掰开,让它们四散奔逃。氢原子变作气体,就跑掉了;碳原子,会与密闭空间底部的基体发生化学作用,逐渐沉积下。

这跟钻石有什么关系呢?钻石就是一大堆碳原子,以特定的姿势方式紧密排列在一起组成的。因此,只要可以足够精确地控制这些沉积碳原子的排列方式,就能得到一层很薄的钻石膜了。

在纳米科技中,这种神奇的方法,学名叫做“化学气相沉积”。大体来讲,这种方法的本质是“用气体变固体”[2]。Anyway,我们完成第一步!

第二步,在钻石膜上“扫射”出纳米钻石针 

这一过程,可以想象成一个雕塑家在精心雕刻他的作品。只不过,用的不是凿子,而是能量更大的等离子体。离子就是原子失去或得到电子而形成的带电粒子;等离子体,就是离子和电子的混合物。通过特定的手段,可以让这些等离子体具有极大的能量,如同一簇密集的子弹,可以“打掉”钻石膜上的碳原子。一阵“扫射”之后,就能得到一大片纳米级的钻石针[2]

生活中我们也能见到等离子体——诸如闪电、极光等自然现象都有等离子体参与其中。

www.8455.com 4壮丽的极光,就是一种等离子体发光的现象。图片来源:pexels.com

第三步,掰弯钻石!

得到这些纳米钻石针之后,就可以掰弯它们了。

这里所要用的设备叫做“纳米压痕”。纳米压痕设备的的顶端是一个立方锥。这个立方锥的尺寸也是纳米级别,材质同样也是钻石。在测试过程中,我们可以控制这个立方锥的移动,让立方锥与纳米钻石针接触,并对纳米针施加压力,来一点一点地掰弯它们测试它们的弹性。科学家们用一台放大倍数极高的显微镜观察,记录了这个过程。

www.8455.com 5使用纳米压痕设备测试纳米钻石针的本领(绿色的是立方锥,红色的是纳米钻石针)。A系列图表示纳米压痕的立方锥接触纳米针,并对后者施加力量。在一定变形范围内,撤掉立方锥的外力,纳米针可以恢复原状。B系列表示如果施加力量过大,纳米针也会折断。图片来源:参考文献[www.8455.com,1]

观察记录显示,这些纳米钻石针具有相当高的弹性。我们在生活中总是提到“弹性”这个词,比如,那个皮球“弹性”很好,甚至这个虾很“弹”。但在材料科学中,弹性的精确定义是:当外力取消后,材料变形能完全恢复,这样的性质才称为弹性。什么意思呢?就是这些钻石针被压弯了之后,还会再直起来——单根纳米针有9%的变形后,仍能恢复到原来的形状。这一数值已经接近了计算模拟的理论极限。

也就是说,我们这根钻石针,被掰弯了!还掰得很弯!当然,如果立方锥继续用力,那纳米钻石针还是会断掉。

为什么这种钻石能被掰弯?

纳米钻石针如此高的弹性得益于两方面的原因。

首先是,这根纳米针是单晶。根据原子排列的规整度,可将材料分成单晶,多晶和非晶。非晶就是原子全然无序地“堆”在一起;单晶是原子整整齐齐地排列在一起;多晶,介于二者之间,可以理解成很多小块单晶拼凑在一起,有比较多的连接处,也比较脆弱。在纳米钻石针中,碳原子的排列是近似完美的单晶,因此具有非常好的力学强度。

此外,纳米钻石针还有光滑的表面。很多材料的断裂或者被破坏,都是因为表面存在或多或少的缺陷。大体来讲,可以把表面的缺陷想象成包装袋的缺口,在这些缺口处用力,很容易就能把包装撕开。因为我们施加的力量可以在缺口处聚集,形成所谓的“应力集中”效应,所以能很容易地破坏材料。而纳米钻石针因为表面极其光滑,几乎没有缺陷,自然也就避免了这种情况。

www.8455.com 6使用超高分辨率的显微镜,观察纳米钻石针表现十分光滑。左上角的小图是一种名为选区电子衍射的技术,证明了纳米针是一种单晶。图片来源:参考文献[1]

那么,这些纳米钻石针能有什么用处呢?

首先,钻石可以很好地和生物体共存,不会伤害生物体。因此纳米钻石在生物成像与生物传感方面有着重要应用。像这样能够被掰弯的钻石,或许会有更广阔的的应用范围。此外,在需要高强度纳米材料的地方,纳米钻石针更是可以大显身手。但这些都还只是设想,纳米钻石针究竟要如何应用,还需要更多的研究和探索。

不过啊,经过这项研究,人们可能会形成些新的看法——也许,能硬又能弯,才是好钻石!(编辑:明天)

参考文献

  1. A. Banerjee et al., Science, 2018 (360), 300-302.
  2. X. Zhu et al., Adv. Healthc. Mater. 2016 (5), 1157–1168. 

  3. 刘鸿文,《材料力学(第五版)》,高等教育出版社。

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