Ученые демонстрируют гибкость алмазных нанометровых игл

Статья, опубликованная в журнале Science от 20 апреля 2018 года, описывает удивительное открытие международной группы исследователей о том, что алмаз, самый твердый известный в природе материал в мире, также гибкие при образовании в наномасштабные иглы. В состав команды входили профессор Субра Суреш, президент Технологического университета Наньян, Сингапур (НТУ Сингапур).

Исследователи показали, что возможно изгиб и растяжение алмазных нано-игл – тоньше, чем прядь человеческого волоса примерно в 1000 раз – до 9%, прежде чем вернуться в исходное состояние после снятия давления.

Малый алмаз, размер которого можно увидеть просто невооруженным глазом, можно было бы растянуть намного меньше 1%. Другие характерно сильные и хрупкие материалы проявляют аналогичный недостаток деформируемости, и попытка их сгибания привела к разрушению материалов.

Исследователи ожидают, что их открытие может найти инновационные применения в ультрапрочных наноструктурах, оптоэлектронных устройствах, хранении данных, доставке лекарств, биоизображении и биосенсии. Кроме того, использование упругих деформаций, вызванных механической деформацией, например, изгиб, открывает возможности для изменения оптических, магнитных, электрических и других физических характеристик.

Обнаружение было опубликовано 20 апреля 2018 года в журнале Science и составлено междисциплинарной командой, чей старший автор – профессор Субра Суреш, президент, а также профессор Университета NTU в Сингапуре. Другими соответствующими авторами исследования являются профессор Ян Лу и профессор Вэньцзюнь Чжан из Городского университета в Гонконге, доктор Минг Дао из Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт) в Соединенных Штатах, а также другие соавторы из Гонконга, США и Южной Кореи.

Алмазный зонд использовался, чтобы оказать давление на стороны алмазных нано-игл, выращенных посредством уникального процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы и вытравленного в окончательную форму. Исследователи использовали сканирующий электронный микроскоп для «видеозаписи» процесса мгновенно. Они измеряли степень, в которой каждая игла могла изгибаться, не будучи разбитой.

Наши результаты были настолько удивительны, что нам пришлось снова запускать эксперименты в разных условиях, чтобы подтвердить их. Мы также провели детальное компьютерное моделирование реальных образцов и экспериментов по изгибу для измерения и определения максимального растягивающего напряжения и деформации, которые алмазные нано-иглы могли выдерживать до разрушения.

Эта работа также демонстрирует, что то, что обычно невозможно в макроскопических и микроскопических масштабах, может происходить в наномасштабном масштабе, где весь образец состоит только из десятков или сотен атомов и где отношение поверхности к объему большой.

Профессор Субра Суреш

Исследователи провели сотни компьютерных симуляций в тандеме со своими экспериментами, чтобы узнать и выяснить, как алмазные иглы выдержали большие упругие деформации, в то время как хрупкие материалы обычно растягивались менее чем на 1%.

. После двух лет тщательных итераций между симуляциями и экспериментами в реальном времени мы теперь знаем, что деформированная форма изогнутой наноигры является ключом к определению его максимальной растягивающей деформации. Управляемая деформация изгиба также позволяет точно контролировать и на лету изменения максимальной деформации в наноигольце ниже предела разрушения.

Д-р. Минг Дао

Ранее теоретические анализы установили, что, когда упругая деформация превышает 1%, квантово-механические расчеты означают значительные изменения химических или физических свойств. Перспектива введения эластичных деформаций в алмазе путем сгибания до 9% открывает новые двери для настройки его электронных свойств. Кроме того, это явление можно было бы адаптировать для настройки светоизлучающих, электрических, магнитных, оптических, тепловых и механических свойств для разработки сложных материалов для широкого спектра применений.

Помимо демонстрации растягивающего растяжения до 9% в монокристаллических алмазах, профессор Суреш и его коллеги также продемонстрировали, что поликристаллические алмазные нано-иглы, где каждая игла состоит из нескольких кристаллов наноразмера или зерен алмаза, обладают способностью чтобы противостоять обратимому, эластичному растяжению до 4% перед разрывом.

Когда можно изменить максимальную гибкость между 0% и 9% в нано-алмазах в реальном времени, существует большой потенциал для исследования необычных свойств материала.

Некоторые из конкретных потенциальных применений нано-алмазов – разработка превосходных сверхмалых биосенсоров для повышения производительности. Другой особенно примечательной областью применения являются центры выбросов азота (NV) в алмазе, которые очень чувствительны к плотности спинов, концентрациям ионов, температурам и магнитным полям. Поскольку изменения упругих деформаций восприимчивы к магнитным полям, их можно потенциально использовать в таких областях, как хранение данных, где данные могут быть закодированы в алмазы с использованием лазеров.

Благодаря своей биосовместимости алмазы также могут быть полезны для доставки наркотиков в клетки, где требуются сильные, но гибкие нано-иглы.

В приложениях к биоизмерению NV также может использоваться в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) или магнитно-резонансной томографии (МРТ) для реализации еще большей точности и разрешений в дополнение к трехмерной визуализации биомолекул и сложных наноструктур

Этот прорыв открывает новые возможности для создания инновационных алмазных архитектур для различных функциональных применений в устройствах, визуализации, биомедицине, материаловедении и технике, а также для микротестирования, помимо механических применений.

Вместе с д-ром Субра Суреш, Ян Лу, Вэйцзюнь Чжан и Мин Дао, другими авторами исследования являются Амит Банерджи (ведущий автор), Хунти Чжан (автор соавторов), Мук-Фунг Юн, Цзяньбин Лю, и Цзянь Лу из Городского университета Гонконга; Даниэль Бернулли (автор соавторов) из Массачусетского технологического института; Цзихен Донг из Института фундаментальной науки, Ульсан, Корея; и Фэн Дин из Ульсанского института науки и техники, Корея.

Алмазная нано-игла, изгибаемая алмазным зондом, перед тем как отскакивает назад, как резиновый наконечник. (Видео кредит: NTU Singapore, MIT, Городской университет Гонконга, Институт фундаментальных наук, Корея и Институт науки и техники, Корея)

Source link