掃描電子顯微鏡下的超細金剛石針（從底部升起的錐狀物體）正被金剛石尖端（頂部的黑狀物體）按壓。圖像顯示，金剛石針在彎曲程度達到9%后，仍然可以恢復到原來的形狀。圖源：由研究人員提供

        眾所周知，金剛石是所有天然材料中最堅硬的，而如此高的強度導致了另一種密切相關的特性：脆性。然而最近一個由來自麻省理工學院、香港、新加坡和韓國的研究人員組成的國際研究團隊發(fā)現(xiàn)，當金剛石生長成極細的針狀時，它就可以像橡膠一樣彎曲和伸展，并能重新恢復到原來的形狀。

        這個驚人的發(fā)現(xiàn)在本周出版的Science雜志上發(fā)表，該論文的作者包括，共同資深作者、美國麻省理工學院（MIT）材料科學與工程系首席研究員Ming Dao，麻省理工學院博士后Daniel Bernoulli，共同資深作者、前麻省理工學院工程院院長、現(xiàn)任新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）校長Subra Suresh，香港城市大學（City University of Hong Kong）研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang，以及另外七位來自香港中文大學（CUHK）和韓國蔚山機構的研究人員。

        研究人員表示，該研究結果可能為各種以金剛石為基礎的設備提供新思路，如傳感、數據存儲、驅動、生物相容性體內成像、光電子和藥物輸送等應用。例如，目前金剛石已被視為一種具有生物相容性的潛在載體材料，可用于將藥物輸送到癌細胞中。

        Dao說，他們的研究成果顯示，這種與某些牙刷末端的橡膠尖端相似、但只有幾百納米（十億分之一米）的窄小的金剛石針，可以彎曲、伸展9%而不斷裂，并且能恢復為原來的形態(tài)。

普通金剛石塊的彈性極限遠低于1%?！翱吹郊{米級金剛石能承受這么大的彈性形變量是非常令人驚訝的?！盉ernoulli說。

        該論文的共同資深作者，香港中文大學機械與生物醫(yī)學工程學院副教授楊路說：“我們開發(fā)了一種獨特的納米力學方法來精確控制和測算納米金剛石樣品中的超大彈性應變?！痹搱F隊表示，金剛石屬于晶體材料，如果使其發(fā)生超大形變，就如同其他晶體材料一樣——其機械性能、熱、光、磁、電氣、電子和化學反應性質等特征都會發(fā)生變化，從而可通過“彈性應變工程”為特定應用設計材料。

        該團隊通過化學氣相沉積過程生長出金剛石針，并通過刻蝕得出它們的最終形狀。然后利用掃描電子顯微鏡觀察標準納米壓痕金剛石尖端（即金剛石立方體的一角）按壓金剛石針的過程，并測量了它們的彎曲。使用該系統(tǒng)進行實驗測試后，該團隊做了許多詳細的仿真模型來解釋結果，并能夠精確地確定金剛石針在不斷裂的情況下可承受多大的應力和應變。

        研究人員還針對金剛石針的實際幾何形狀開發(fā)了一套模擬非線性彈性變形的計算機模型，并發(fā)現(xiàn)納米級金剛石的最大拉伸應變高達9%。該計算機模型所預測出的最大局部應力接近已知的理想金剛石拉伸強度——即無缺陷金剛石可達到的理論極限。

        當整個金剛石針是由單個晶體制成時，在高達9%的拉伸應變下才發(fā)生破壞。在達到這個臨界值之前，如果探頭從金剛石針上縮回，使樣品卸載，則變形是完全可逆的。如果小針頭是由多顆金剛石制成的，該團隊表示它們仍然可以承受相當大的應變。然而，多晶金剛石針能達到的最大應變不足單晶金剛石針的一半。