納米尺度變形的超敏感測量及應用
2017-07-19 14:39:39
作者：本網整理 來源：新材料在線
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實驗中所使用銅柱的掃描電子顯微鏡圖像 來自：加州理工學院
納米級的變形可能會影響高精度的實驗，比如先進的激光干涉重力波觀測臺(LIGO)。
加州理工學院的一名研究生已經證明得到：材料在屈服前會經歷非彈性變形，這可能會影響材料的性能，從而使得材料的結構更加穩定堅固。
Xiaouye Ni在Julia R. Greer的實驗室長期致力于材料的研究，他同時還是加州理工學院材料科學與力學系教授,他發現金屬在達到應變極限之前就會發生永久的變形。
例如，拿一個金屬尺，把它稍微彎曲一下。當你放手的時候，它就會重新回到原來的形狀。但是，如果你用同樣的尺子，把它彎曲得很硬，它就會達到屈服點，這樣它就會永久彎曲。
在材料科學中，對于上述產生的現象做出如下解釋：
當你在它的屈服點下變形一種物質時，你只是暫時拉伸了它原子之間的鍵。材料的原子層結構不會發生永久性的變化，變形是完全可恢復的和瞬時的。這種臨時拉伸叫做彈性形變。
變形金屬經過它的屈服點，從而就會導致先前存在的線缺陷發生移動，這種現象被稱為錯位，這導致了永久變形。這些錯位在晶格層中移動，在它們相互纏繞的過程中產生更多的錯位。而這些運動最終導致了永久的塑性變形。
屈服點通常被認為是一種離散現象，即當材料超出其屈服點的時候，就會開始移動。然而，Xiaouye Ni的數據顯示，在物質開始變形的過程中，物質的結構發生了不可逆轉的變化，在達到其屈服點之前就已經存在了。
Greer說:“世界上每一位材料科學家和每一本教科書都會告訴你，當你變形任何物質的時候，無論是金屬、木頭、任何一種紡織品，任何東西——首先發生的是彈性形變，它會立即恢復。這是最基本的概念，幾乎所有的機械和材料科學課程都是依它為基礎的。”
為了探究材料在彎曲的過程中發生了什么變化，Xiaouye Ni制造了500納米寬的銅柱(是人類頭發的200倍厚)，用鉆石觸控筆壓在材料表面。
這支筆施加比銅的屈服點還小的固定壓力，然后輕微地振蕩。
她發現，在經受了這些振蕩之后，這些銅柱緩慢地恢復到原來的形狀，便未發生變形。
XiaouyeNi說:“如果這種變形是純彈性的，那就不會發生，因為它會立即恢復。”
這一遲緩的反應表明，這些銅柱產生了內部阻力，這是非彈性變形的標志。
Greer說:“XiaouyeNi的數據顯示，從第一次開始變形的時候，位錯開始增多，既然我們知道怎么做，我們就可以探測各種不同種類的材料。”
Xiaouye Ni說，這一發現可以被應用到許多研究領域。你可以利用這一方法觀察到，你距離位錯變形有多接近。此外，對于高精度的實驗，如先進的激光干涉引力波天文臺(LIGO)——在2016年第一次探測到引力波——即使是納米級的震動，也能產生噪音，我們要設法使其消除。
這項研究被刊登在4月14日發表的物理評論快報上，名為“通過動態機械分析對小型的面心立方晶體的微可塑性進行探測。”
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