第一作者：Amit Banerjee, Daniel Bernoulli, Hongti Zhang,

通訊作者：Ming Dao, Wenjun Zhang, Yang Lu, Subra Suresh

第一單位：香港城市大學(xué)

    俗語有云：好鞍配好馬，好刀用好鋼。一種材料的強度高低，則是衡量其關(guān)鍵用途的重要指標(biāo)。一般情況下，材料的最大強度受控制于原子之間鍵的斷裂行為，實際情況下往往僅能達(dá)到理論上10%的彈性模量或剪切模量。由于材料中缺陷的存在，使得原子鍵在達(dá)到最大強度之前，就發(fā)生非彈性馳豫或脆性斷裂。

    固體材料的最大彈性拉伸應(yīng)變一般只有0.2-0.4%。1958年，Brenner在微米尺度晶須中實現(xiàn)了4%的拉伸應(yīng)變。由于納米材料中幾乎不含缺陷，對于提高材料強度意義重大。因此，近年來，不斷追求更強材料的科研工作者將目標(biāo)轉(zhuǎn)向納米材料。同時，基于DFT計算的原子模擬和分子動力學(xué)模擬能夠精確預(yù)測完美晶體的斷裂強度，并測算缺陷和光滑表面的影響。

    由于C-C鍵是自然界中最強的鍵，因此，大量基于碳的一維納米材料和二維納米材料成為了研究的焦點，譬如多壁碳納米管、石墨烯等。

圖1. 各種高強度材料的強度對比

    有鑒于此，香港城市大學(xué)Yang Lu、Wenjun Zhang與美國麻省理工學(xué)院的Ming Dao、新加坡南洋理工大學(xué)的Subra Suresh團(tuán)隊合作，報道了一種具有超大彈性變形能力的單晶納米金剛石，強度達(dá)到接近其理論極限的89-98 GPa，彈性形變達(dá)到9%！

圖2. 納米針尖狀金剛石的制備

    研究人員首先通過CVD制備<111>取向的金剛石薄膜，然后通過反應(yīng)性離子刻蝕策略，制備得到特征尺寸約300 nm的單晶納米針尖金剛石。計算預(yù)測其理論拉伸應(yīng)變?yōu)?3%，理論拉伸強度可達(dá)到130 GPa。實際測試表明，這種單晶納米金剛石最大拉伸應(yīng)變（9%）接近其理論彈性極限，相對應(yīng)的，其最大拉伸應(yīng)力可達(dá)到89-98 GPa，而體相金剛石拉伸強度不足10 GPa。

    眾所周知，金剛石具有極高的強度，但是不具有彈性變形能力，如果你想要讓金剛石變形，唯一的辦法就是打碎它。而這種納米化的針尖狀金剛石則不僅具有超高的強度，還可以超大幅度的彈性變形。

圖3. 單晶納米針尖狀金剛石的超大彈性變形

    結(jié)合系統(tǒng)的計算模擬以及表征測試，研究人員認(rèn)為，這種納米金剛石的超高強度和超大彈性變形的同時存在，一方面歸根于小體積納米金剛石中的缺陷很少，另一發(fā)方面是因為納米金剛石比體相金剛石具有更加光滑的表面。

圖4. 材料最大彈性拉伸應(yīng)變匯總

    總之，這項研究發(fā)展了一種具有超大變形能力的高強度材料，開辟了納米金剛石在微電子器件和藥物輸送等領(lǐng)域的新應(yīng)用，并為金剛石的納米結(jié)構(gòu)、形貌、彈性應(yīng)變以及物理性能的設(shè)計與優(yōu)化，帶來了新的啟發(fā)！

    1. Amit Banerjee, Daniel Bernoulli, Hongti Zhang, Ming Dao, Wenjun Zhang, Yang Lu, Subra Suresh et al. Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond. Science 2018, 360, 300-302.

    2. Javier LLorca. On the quest for the strongest materials. Science 2018, 360, 264-265.

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