最硬钻石也有弹性：纳米尺度下的“硬汉柔情”
在最新一期的世界顶级学术期刊《科学》杂志上，其刊登的《Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond》一文宣布了这项金刚石在纳米尺度下力学行为的重大发现。该研究项目由香港城市大学机械与生物医学工程系副教授、香港城市大学深圳研究院先进结构材料研究中心（CASM）研究员陆洋课题组领衔展开。这支由中美科学家领导的国际科研团队首次报道，在纳米尺度下，即金刚石的大小降至约100纳米（约人类头发六百分之一粗幼）时，就可承受前所未有的巨大形变且能恢复原状，而其中单晶纳米金刚石的弹性拉伸形变最大可以达到约百分之九，接近金刚石在理论上所能达到的弹性变形极限。
此前，陆博士团队成功在单晶硅纳米在线实现了超弹性的突破，并在2016年美国《科学》子刊《科学进展》杂志上发表了相关研究结果《Approaching the ideal elastic strain limit in silicon nanowires》，造成极大反响。当时这项纳米力学发现让陆洋副教授脑洞大开：既然像硅那样脆硬的晶体材料也可能在纳米尺度下展现出弹性，那世上最坚硬的物质金刚石是否也可能有超弹性？以此为契机，陆博士和他的团队开始探索探究金刚石的纳米力学行为。
为了这次研究，陆博士研究团队运用香港城市大学材料科学与工程系教授、超金刚石与先进薄膜研究中心副主任张文军教授课题组特别制备的研究用纳米金刚石锥样品来进行测试。
如何测量金刚石的力学性能，是研究团队需要面对的挑战。陆博士解释，一般情况下要测试某种物料的机械性能，必须要找比该物料更硬的东西去对撞，因而一向用来测量物质强度的纳米压痕仪(nanoindenter)，其用来撞向测试物料的最尖端部分也是用金刚石制造的。但现在要测试的是金刚石，这便出现了“矛盾”︰“要用最硬的物质，刺向最硬的物质”。
最初，他们采用传统“尖对尖”的纳米压痕方法，用纳米压痕仪尖端部分直接刺向纳米金刚石锥样品，结果不仅无法得到测试数据，甚至损坏了昂贵的金刚石压痕仪的压头。
然而他们没有放弃。在经过大量探索性实验之后，他和研究团队重新调整了方向思路，最后在城市大学先进的电子显微镜设备和先进结构材料研究中心的纳米压痕仪平台基础上，针对钻石这一特殊对象，发展了一套独特而崭新的纳米力学测试方法：在电镜实时观察下，对纳米金刚石锥样品进行压缩-弯曲测试，即利用cube-corner纳米压痕仪的压头尖端的某一面，压向金刚石纳米锥导致其弯曲变形。实验结果发现，单晶金刚石纳米锥可以实现前所未有的大变形，且可在极大范围内瞬间恢复原状。
那么金刚石的弹性形变量到底是多少？为此，陆博士联合由美国麻省理工学院苏布拉·苏雷什教授（现南洋理工大学校长）和道明博士领导的纳米力学实验室专家团队，对实验结果进行了精确的有限元分析，结果确认，单晶金刚石纳米锥在拉伸侧的弹性应变达到了约9%的高度，而且对应强度也接近其理论极限。此前，如此高的形变量对于宏观的金刚石来说，根本无法想象。
研究团队同时还对具备同样形貌尺寸的多晶金刚石纳米锥进行了对比测试，发现其最大弹性应变值为约3.5%，只有对应的单晶样品弹性形变均值的一半左右。即便如此，多晶金刚石纳米锥仍然比宏观金刚石样品通常所能达到的约0.3%的弹性应变高了整整一个数量级。
为探究其机理，陆博士团队进一步使用高分辨透射电子显微镜对断裂前后的样品进行了原子尺度的微结构分析，最终发现：金刚石纳米锥之所以能够达到如此大的弹性应变，除了是样品在纳米尺寸下表现出了愈小愈强的“尺寸效应”（size effect）之外，纳米金刚石锥本身近乎完美的内部晶体结构以及光滑的外表面也是重要因素。
经过无数通宵达旦的实验，最后发现“原来金刚石在纳米尺度下是有弹性”时，陆博士形容自己和团队心情都很激动。他说︰“这项发现将彻底改变我们对钻石的一贯认知。”
纳米尺度下金刚石超弹性行为的发现，对于金刚石的应用有着重要意义，这将进一步拓展纳米金刚石在生物学领域的应用，包括药物传输、生物探测和生物影响等；也能够在光电器件领域、量子信息技术领域发挥作用，比如作用于纳米机械谐振器、数据存储器等。此外，金刚石纳米结构的超弹性也为其在柔性电子器件的应用提供了可能性。
金刚石纳米结构在巨大晶格形变下所可能引发的能带结构变化，亦将导致材料在其他物理性质方面发生根本性的改变，从而带来一系列全新的“弹性应变工程”应用。如今，钻石不仅仅能够发挥它“硬汉”的一面，未来也会展现“温柔”的特性，在众多领域发挥作用。
该项目主要由香港研究资助局以及国家自然科学基金的资助，除城大外，研究合作机构包括麻省理工学院、韩国蔚山科技大学以及新加坡南洋理工大学。香港城市大学机械与生物医学工程系Amit Banerjee博士、张洪题博士和麻省理工学院材料科学与工程系Daniel Bernoulli博士为该论文共同第一作者，香港城市大学陆洋副教授，张文军教授、麻省理工学院道明博士和新加坡南洋理工大学校长苏布拉·苏雷什教授为共同通讯作者。
这次研究团队成员还包括︰香港城市大学副校长、机械工程系讲座教授吕坚教授、机械与生物医学工程系的刘嘉斌博士（现浙江大学材料系副教授）、材料科学与工程系的袁牧锋博士以及韩国蔚山科学技术院Institute for Basic Science 的董际臣和丁峰教授。
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