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。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》杂志上宣布,他们“掰弯”了钻石!
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。首先,做一层钻石膜。然后,在钻石膜上“扫射”出纳米钻石针。最后,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”。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。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。
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!