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俗語有云：好鞍配好馬，好刀用好鋼。一種材料的強度高低，則是衡量其關鍵用途的重要指標。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轉向納米材料。同時，基于DFT計算的原子模擬和分子動力學模擬能夠精確預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Yang Lu、Wenjun Zhang與美國麻省理工學院的Ming Dao、新加坡南洋理工大學的Subra Suresh團隊合作，報道了一種具有超大彈性變形能力的單晶納米金剛石，強度達到接近其理論極限的89-98 GPa，彈性形變達到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。計算預測其理論拉伸應變?yōu)?3%，理論拉伸強度可達到130 GPa。實際測試表明，這種單晶納米金剛石最大拉伸應變（9%）接近其理論彈性極限，相對應的，其最大拉伸應力可達到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
結合系統(tǒng)的計算模擬以及表征測試，研究人員認為，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域的新應用，并為金剛石的納米結構、形貌、彈性應變以及物理性能的設計與優(yōu)化，帶來了新的啟發(fā)！
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