新知 物理

腰身柔軟的奈米鑽石

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撰文者:原文作者:Michael Lucy,編譯者:林祉均
發文日期:2018-06-16
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  • 鑽石恆久遠,一顆永流傳」。一講到鑽石就會聯想到它剛硬穩定的特性。但新的研究發現,這種世上最堅硬的物質之一在奈米尺度下,竟然會展現可彎折的韌性。由南洋理工大學的Subra Suresh等人領導的國際研究團隊,日前在《科學》期刊上發表了他們最新的發現由鑽石結晶組成的奈米細針,可以在斷裂前彎折達9%

    鑽石是由碳原子以立體四方晶格堆積而成。碳原子兩兩之間的強韌鍵結讓鑽石不易受到外力破壞,也不易發生化學反應。這種穩定的材料特性讓它受到生物科技的青睞,因為它不會在體內發生不必要的複雜反應;除此之外,鑽石也能像矽一樣在電路中扮演半導體的角色,或是在特殊處理過後用來測量磁場或溫度的變化,甚至還能感測像是自旋密度這種較為奇異的量子性質。

    如此豐富的性質和產業應用,讓有關鑽石的各種技術成為重要的研究領域。而鑽石在奈米尺度下的基本材料性質,自然也是世界各地的研究者所熱衷的主題;但是要測量奈米鑽石的韌性絕非易事。首先遇到的第一個問題就是:要如何製作出奈米尺度的鑽石晶體?

    洗澡時的熱蒸氣會在玻璃窗上凝結出一層薄薄的水。同樣的,研究團隊用有機溶劑蒸氣在矽材料的表面上凝結出一層鑽石,再刮去大部分的鑽石薄膜,只留下一層針狀的鑽石結晶;每根細針長度約數百奈米,底部約100奈米寬。

    有了這些鑽石細針,便可以來測量它的韌性。不過要直接拉扯鑽石結晶十分困難,所以研究團隊想到了一個聰明的替代方案:讓鑽石細針彎折。彎折的內側會被壓縮,外側則會被伸展,因此只要測量細針彎折的程度,就能得知它耐拉扯的韌性如何。研究團隊用一個較粗的探針給這些奈米鑽石針施加壓力,紀錄施力大小的同時,用電子顯微鏡觀察鑽石針的變形情況。最後再跟電腦模擬的理論模型做比較。

    實驗結果發現鑽石細針最多可以被彎折達百分之九,和理論計算計算結果十分符合。如此的彎折程度對應到的材料抗拉強度有900億帕斯卡,是不鏽鋼的100倍。研究團隊表示,如此高的強度要歸功於高純度的鑽石和平滑的針狀結晶。沒有雜質的整齊結晶,就代表結晶裡沒有瑕疵或結構缺陷能引發斷裂。

    這種堅韌的奈米鑽石材料能在許多產業應用中擔任重要的角色,不僅比以往更耐用,也更符合經濟效益。像是用鑽石細針來注射藥物進入細胞;或是把氮原子摻入鑽石結晶中,用來當作微小的量子感測器。除此之外,這項技術蘊含另一個重要的效應:在彎折鑽石的過程中,碳原子之間的距離會被伸縮,而碳原子周圍的電子能量也在不斷改變。這表示奈米鑽石的光學和電學特性可能有重大的變革即將來臨。

    奈米鑽石的韌性其實並不那麼出人意料。澳洲墨爾本大學的Steven Prawer在2012的研究就顯示在鑽石內部做出一個石墨泡泡會導致表面顯著的隆起。Prawer表示:「類似的現象我們之前便看過,不過這次實驗仍是一個非常漂亮的展示。」研究領導人Suresh則說:「我們所發現的是一個更普遍的物理現象」,也就是說這種韌性是奈米尺寸的微小結構時常展現的尺度效應。

    儘管已經是老生常談,不過這次實驗結果又再次提醒我們奈米世界是多麼不同。就連堅硬無比的鑽石結晶也是如此。


    本文感謝Cosmos 授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。原文作者:Michael Lucy,編譯者:林祉均 ,原文刊登於https://cosmosmagazine.com/physics/shine-on-you-bendy-diamond
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