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  眾所周知，鉆石是強度最高的天然材料，并且這種材料還有一個與強度緊密相連的特性：脆性。 但現在，由來自于麻省理工學院，香港，新加坡和韓國的研究人員組成的一個國際研究小組發現，當鉆石晶體成長為非常細小的針狀形狀時，鉆石可以像橡膠一樣彎曲和拉伸，并恢復到其原始的形狀。

      本周，有關這項令人驚訝發現的文章發表在 journal Science雜志上。這篇文章主要是由麻省理工學院材料科學與工程系研究科學家和資深作者 Ming Dao、麻省理工學院博士后Daniel Bernoulli、前MIT工程院院長，現任新加坡南洋理工大學校長Subra Suresh、香港城市大學研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang等人、以及來自CUHK和韓國的Ulsan機構的另外七人撰寫。
 

金剛石納米針在金剛石尖端的側面彎曲實驗（左）和模擬（右），金剛石納米探針表現出超大且可逆的彈性變形

      研究人員表示，研究結果可使各種基于鉆石的設備有更多開創性的應用。這些應用主要是在傳感，數據存儲，驅動，生物相容性體內成像，光電子和藥物輸送等方面。例如，鉆石已被研究作為一種可能的生物相容性載體，用于將藥物輸送到癌細胞中。

      Dao說：研究小組研究發現這種狹窄的鉆石針形狀與牙刷末端的橡膠尖相似，但只有幾百納米（十億分之一米）。鉆石針可以彎曲并伸展9％而不會斷裂。

      Bernoulli 說：“普通的大塊鉆石的彈性極限低于1％，納米金剛石可以承受的彈性變形量是非常令人驚訝的。”香港中文大學機械與生物醫學工程系副教授也是這項研究的主要合作者說：“通過一種獨特的納米力學方法來精確控制和量化納米金剛石樣品的超大彈性應變分布。”將金剛石等晶體材料置于超大彈性應變（如使這些部件彎曲）下，能夠以顯著的改變它們的機械性能以及熱，光，磁，電，化學反應性質。并且該設計團隊表示可以通過“彈性應變工程”為特定應用設計材料。
 

金剛石納米針的實驗（左）和模擬（右）彎曲成由金剛石尖端的側面斷裂，表現出了超大的彈性變形（最大拉伸應變約9％）

      該團隊測量了通過化學氣相沉積生產的鉆石針的彎曲情況。然后通過掃描電子顯微鏡觀察并表征它們的最終形狀。同時用標準納米壓痕儀測其力學性能。在使用該系統的實驗測試后，該團隊進行了許多詳細的模擬來說明實驗結果，并能夠精確確定鉆石針在不破裂的情況下可承受的應力和應變。

      研究人員還開發了針對鉆石針實際幾何形狀的非線性彈性變形的計算機模型，并發現納米級鉆石的最大拉伸應變高達9％。計算機模型還預測了接近于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）相應的最大局部應力。

      當整個鉆石針由一個晶體構成時，在高達9％的拉伸應變下發生破壞。在達到這個臨界水平之前，如果探針縮回并且施加在樣品上的力被卸載，則變形可以完全逆轉。該團隊表發現，如果小針頭是由許多鉆石晶體構成的，它們仍然可以實現非常大的應變。然而，多晶金剛石針頭獲得的最大應變比單晶金剛石針頭的一半還要小。

      西北大學土木與環境工程與機械工程教授黃永剛并沒有參與這項研究。他同意研究人員對這項工作潛在影響的評估。他說：“在金剛石這種硬脆材料發現超大彈性變形，為通過彈性應變工程調整其光學、光機械、磁、光學和催化性能提供了前所未有的可能性。”

      Huang補充說：“當彈性應變超過1％時，通過量子力學計算可以預期到材料性能的顯著變化。在控制鉆石彈性應變率從0%到9%這一過程中，我們會看到一些可預計的令人驚訝的性能變化。“

      該團隊還包括香港城市大學的Muk-Fung Yuen，劉家斌，陸健，張文軍和楊路，以及韓國基礎科學研究所的Jichhen Dong和Feng Ding。該研究由香港特別行政區研究資助局，新加坡 - 麻省理工學院研究與技術聯盟（SMART），新加坡南洋理工大學和國家自然科學基金會資助。