Science：钻石都弯了，还有什么不能？

圆的方块等中科院物理所 2019-04-02

这个世界上还有什么是不能弯的吗？

如果有的话，那可能就是钻石了。

Blingbling的钻石们，图片来源: Gia.edu

掰弯钻石的机会可能不多，不过不妨想象一下冰糖。你能掰弯冰糖吗？首先，冰糖的硬度就让你无从下手。那，假设是一根棒状的冰糖，是不是很容易就能被掰弯呢？答案仍然是否定的，你只要轻轻一掰，它立刻就断成两截了。这种现象的原因在于，冰糖的不仅硬，也特别脆。相比于被掰弯，它更容易破碎。

在自然界里，大体来说，越硬的材料也越脆。钻石，作为自然界中已知最硬的材料，当然也非常的脆。因此，我们可以很容易地敲碎钻石，但是想要掰弯它，确实难上加难。

不过，以上这些都是宏观尺度的规律，当材料的尺度降到纳米级别，往往会展现出非同凡响的物理性质。比如今天，就有一群来自香港和新加坡的科学家们在《科学》（Science）杂志上宣布，他们“掰”弯了钻石！

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=j1337ytphey&width=500&height=375&auto=0

被“纳米压痕”掰弯的纳米钻石针。

图片来源：NTU Singapore, MIT, City University of Hong Kong, Institute for Basic Science, Korea, and the Institute of Science and Technology, Korea.

如何分三步掰弯钻石

科学家们掰弯的，可不是镶嵌在戒指上的那种钻石，而是一根小小的纳米钻石针，每一根的长度大约是500到1000纳米——头发直径的百分之一那么长。

为了得到纳米钻石针，并“掰”弯它，我们需要三个步骤。

图片下方一片针尖状的突起，就是纳米钻石针。图片上方的“立方锥”是一种名为“纳米压痕”的设备。图片来源：参考文献[1]

第一步，做一层钻石膜

首先，你需要一个密闭空间，往里面通入甲烷气体。然后，对这个密闭空间施加一些极端条件，比如说高温或高压，将甲烷分子破坏掉。甲烷分子的结构是一个碳原子连接四个氢原子。破坏掉这个结构也就是把碳原子和氢原子掰开，让它们四散奔逃。氢原子变作气体，就跑掉了；碳原子，会与密闭空间底部的基体发生化学作用，逐渐沉积下。

这跟钻石有什么关系呢？钻石就是一大堆碳原子，以特定的姿势方式紧密排列在一起组成的。因此，只要可以足够精确地控制这些沉积碳原子的排列方式，就能得到一层很薄的钻石膜了。

在纳米科技中，这种神奇的方法，学名叫做“化学气相沉积”。大体来讲，这种方法的本质是“用气体变固体”[2]。Anyway，我们完成第一步！

第二步，在钻石膜上“扫射”出纳米钻石针

这一过程，可以想象成一个雕塑家在精心雕刻他的作品。只不过，用的不是凿子，而是能量更大的等离子体。离子就是原子失去或得到电子而形成的带电粒子；等离子体，就是离子和电子的混合物。通过特定的手段，可以让这些等离子体具有极大的能量，如同一簇密集的子弹，可以“打掉”钻石膜上的碳原子。一阵“扫射”之后，就能得到一大片纳米级的钻石针[2]。

生活中我们也能见到等离子体——诸如闪电、极光等自然现象都有等离子体参与其中。

壮丽的极光，就是一种等离子体发光的现象。图片来源：pexels.com

第三步，掰弯钻石！

得到这些纳米钻石针之后，就可以掰弯它们了。

这里所要用的设备叫做“纳米压痕”。纳米压痕设备的的顶端是一个立方锥。这个立方锥的尺寸也是纳米级别，材质同样也是钻石。在测试过程中，我们可以控制这个立方锥的移动，让立方锥与纳米钻石针接触，并对纳米针施加压力，来一点一点地掰弯它们测试它们的弹性。科学家们用一台放大倍数极高的显微镜观察，记录了这个过程。

使用纳米压痕设备测试纳米钻石针的本领（绿色的是立方锥，红色的是纳米钻石针）。A系列图表示纳米压痕的立方锥接触纳米针，并对后者施加力量。在一定变形范围内，撤掉立方锥的外力，纳米针可以恢复原状。B系列表示如果施加力量过大，纳米针也会折断。图片来源：参考文献[1]

观察记录显示，这些纳米钻石针具有相当高的弹性。我们在生活中总是提到“弹性”这个词，比如，那个皮球“弹性”很好，甚至这个虾很“弹”。但在材料科学中，弹性的精确定义是：当外力取消后，材料变形能完全恢复，这样的性质才称为弹性。什么意思呢？就是这些钻石针被压弯了之后，还会再直起来——单根纳米针有9%的变形后，仍能恢复到原来的形状。这一数值已经接近了计算模拟的理论极限。

也就是说，我们这根钻石针，被掰弯了！还掰得很弯！当然，如果立方锥继续用力，那纳米钻石针还是会断掉。

为什么这种钻石能被掰弯？

纳米钻石针如此高的弹性得益于两方面的原因。

首先是，这根纳米针是单晶。根据原子排列的规整度，可将材料分成单晶，多晶和非晶。非晶就是原子全然无序地“堆”在一起；单晶是原子整整齐齐地排列在一起；多晶，介于二者之间，可以理解成很多小块单晶拼凑在一起，有比较多的连接处，也比较脆弱。在纳米钻石针中，碳原子的排列是近似完美的单晶，因此具有非常好的力学强度。

此外，纳米钻石针还有光滑的表面。很多材料的断裂或者被破坏，都是因为表面存在或多或少的缺陷。大体来讲，可以把表面的缺陷想象成包装袋的缺口，在这些缺口处用力，很容易就能把包装撕开。因为我们施加的力量可以在缺口处聚集，形成所谓的“应力集中”效应，所以能很容易地破坏材料。而纳米钻石针因为表面极其光滑，几乎没有缺陷，自然也就避免了这种情况。

使用超高分辨率的显微镜，观察纳米钻石针表现十分光滑。左上角的小图是一种名为选区电子衍射的技术，证明了纳米针是一种单晶。图片来源：参考文献[1]

那么，这些纳米钻石针能有什么用处呢？

首先，钻石可以很好地和生物体共存，不会伤害生物体。因此纳米钻石在生物成像与生物传感方面有着重要应用。像这样能够被掰弯的钻石，或许会有更广阔的的应用范围。此外，在需要高强度纳米材料的地方，纳米钻石针更是可以大显身手。但这些都还只是设想，纳米钻石针究竟要如何应用，还需要更多的研究和探索。

不过啊，经过这项研究，人们可能会形成些新的看法——也许，能硬又能弯，才是好钻石！

作者：圆的方块 HX 疯小团

编辑：明天

排版：晓岚

题图来源：123rf.com.cn正版图库

参考文献

[1] A. Banerjee et al., Science, 2018 (360), 300-302.

[2] X. Zhu et al., Adv. Healthc. Mater. 2016 (5), 1157–1168.

[3] 刘鸿文，《材料力学（第五版）》，高等教育出版社。

来源：果壳科学人

编辑：太阳骑士07

近期热门文章Top10