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。

图片 1壮丽的极光,就是一种等离子体发光的现象。图片来源:pexels.com

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!

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。

图片 2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[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。

图片 3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.

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。

如果有的话,那可能就是钻石了。

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。

图片 4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!

图片 5Blingbling的钻石们,图片来源:
Gia.edu

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。

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。

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。

图片 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)

这个世界上还有什么是不能弯的吗?

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