近日，廈門大學(xué)張志森副教授和吳建洋教授團隊與香港中文大學(xué)合作深入研究了一種新型的五重孿晶金剛石納米線的力學(xué)與熱輸運性質(zhì)，并揭示了力學(xué)與熱導(dǎo)率異常提高的機制。相關(guān)研究工作分別以Simultaneous stiffening and strengthening of nanodiamond by fivefold twins及Abnormally High Thermal Conductivity in Fivefold Twinned Diamond Nanowires為題發(fā)表在國際知名期刊MRS Bulletin和Materials Today Physics上。論文第一作者分別為廈門大學(xué)的張志森副教授及香港中文大學(xué)的梁挺博士，通訊作者為香港中文大學(xué)許建斌教授和廈門大學(xué)物理系吳建洋教授。

背景介紹

       五重孿晶的歷史已有近200年。大量研究表明五重孿晶引起的晶格畸變會顯著提高納米材料的機械性能，但卻會嚴重阻礙其熱輸運性能。張志森副教授和吳建洋教授團隊的工作，采用分子動力學(xué)模擬方法研究了一種新型的五重孿晶金剛石納米線(5FTNDs),并揭示了其微納米力學(xué)及熱導(dǎo)率異常提高的機制。結(jié)果表明，在微納米力學(xué)方面，5FTNDs的機械性能在很大程度上受其橫截面幾何形狀的影響：具有星形截面的5FTNDs表現(xiàn)出優(yōu)于金剛石固有強度的拉伸楊氏模量和強度；而正五邊形的5FTNDs的拉伸楊氏模量和強度比金剛石固有強度有顯著差異。同時，隨著徑向尺寸的縮小，星形5FTNDs的拉伸楊氏模量和強度呈非線性增強的趨勢，但對于正五邊形的5FTNDs來說則完全相反。在熱導(dǎo)率方面，金剛石納米線的熱導(dǎo)率可以被引入的五重孿晶邊界缺陷有效增強，并隨著橫截面積非單調(diào)變化。在臨界面積大于7.1nm2時，5FTNDs表現(xiàn)出恒定的熱導(dǎo)率值；而在臨界值以下，隨著橫截面積的減小，熱導(dǎo)率急劇增加。更重要的是，在橫截面積非常小時，5FTNDs的熱導(dǎo)率大于塊體金剛石。作者通過計算聲子平均自由程、群速度、聲子色散和三聲子散射率（涉及Normal和Umklapp過程）闡明了異常熱導(dǎo)率的機制。特別要說的是，在最小橫截面積處，Normal過程主導(dǎo)的聲子流體動力學(xué)行為導(dǎo)致了熱導(dǎo)率異常增加。在5FTNDs中揭示的微納米力學(xué)性能增強機制，及超輸運聲子流體動力學(xué)現(xiàn)象可以為追求高力學(xué)性能及高導(dǎo)熱納米材料提供更廣闊的空間。

結(jié)論推廣

       這些研究對探索超高強度的材料，及金剛石納米線結(jié)構(gòu)的熱輸運提供了新的認識，并使得納米材料超高熱導(dǎo)率的聲子流體動力學(xué)行為成為人們關(guān)注的焦點，同時表明五重孿晶結(jié)構(gòu)可以為納米材料提供優(yōu)異的機械和熱性能。作者認為聲子流體動力學(xué)現(xiàn)象在具有最小截面的納米線中普遍存在，并有可能引起工程熱物理學(xué)甚至其他納米領(lǐng)域的廣泛興趣。

致謝

       感謝香港研究資助局，香港中文大學(xué)組研究計劃，國家自然科學(xué)基金，江西省杰出青年人才計劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金。同時感謝廈門大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心的計算機計時的支持。