众所周知，钻石是强度最高的天然材料，并且这种材料还有一个与强度紧密相连的特性：脆性。 但现在，由来自于麻省理工学院，香港，新加坡和韩国的研究人员组成的一个国际研究小组发现，当钻石晶体成长为非常细小的针状形状时，钻石可以像橡胶一样弯曲和拉伸，并恢复到其原始的形状。

      本周，有关这项令人惊讶发现的文章发表在 journal Science杂志上。这篇文章主要是由麻省理工学院材料科学与工程系研究科学家和资深作者 Ming Dao、麻省理工学院博士后Daniel Bernoulli、前MIT工程院院长，现任新加坡南洋理工大学校长Subra Suresh、香港城市大学研究生Amit Banerjee和Hongti Zhang等人、以及来自CUHK和韩国的Ulsan机构的另外七人撰写。
 

金刚石纳米针在金刚石尖端的侧面弯曲实验（左）和模拟（右），金刚石纳米探针表现出超大且可逆的弹性变形

      研究人员表示，研究结果可使各种基于钻石的设备有更多开创性的应用。这些应用主要是在传感，数据存储，驱动，生物相容性体内成像，光电子和药物输送等方面。例如，钻石已被研究作为一种可能的生物相容性载体，用于将药物输送到癌细胞中。

      Dao说：研究小组研究发现这种狭窄的钻石针形状与牙刷末端的橡胶尖相似，但只有几百纳米（十亿分之一米）。钻石针可以弯曲并伸展9％而不会断裂。

      Bernoulli 说：“普通的大块钻石的弹性极限低于1％，纳米金刚石可以承受的弹性变形量是非常令人惊讶的。”香港中文大学机械与生物医学工程系副教授也是这项研究的主要合作者说：“通过一种独特的纳米力学方法来精确控制和量化纳米金刚石样品的超大弹性应变分布。”将金刚石等晶体材料置于超大弹性应变（如使这些部件弯曲）下，能够以显著的改变它们的机械性能以及热，光，磁，电，化学反应性质。并且该设计团队表示可以通过“弹性应变工程”为特定应用设计材料。
 

金刚石纳米针的实验（左）和模拟（右）弯曲成由金刚石尖端的侧面断裂，表现出了超大的弹性变形（最大拉伸应变约9％）

      该团队测量了通过化学气相沉积生产的钻石针的弯曲情况。然后通过扫描电子显微镜观察并表征它们的最终形状。同时用标准纳米压痕仪测其力学性能。在使用该系统的实验测试后，该团队进行了许多详细的模拟来说明实验结果，并能够精确确定钻石针在不破裂的情况下可承受的应力和应变。

      研究人员还开发了针对钻石针实际几何形状的非线性弹性变形的计算机模型，并发现纳米级钻石的最大拉伸应变高达9％。计算机模型还预测了接近于已知的理想金刚石拉伸强度（即无缺陷金刚石可达到的理论极限）相应的最大局部应力。

      当整个钻石针由一个晶体构成时，在高达9％的拉伸应变下发生破坏。在达到这个临界水平之前，如果探针缩回并且施加在样品上的力被卸载，则变形可以完全逆转。该团队表发现，如果小针头是由许多钻石晶体构成的，它们仍然可以实现非常大的应变。然而，多晶金刚石针头获得的最大应变比单晶金刚石针头的一半还要小。

      西北大学土木与环境工程与机械工程教授黄永刚并没有参与这项研究。他同意研究人员对这项工作潜在影响的评估。他说：“在金刚石这种硬脆材料发现超大弹性变形，为通过弹性应变工程调整其光学、光机械、磁、光学和催化性能提供了前所未有的可能性。”

      Huang补充说：“当弹性应变超过1％时，通过量子力学计算可以预期到材料性能的显著变化。在控制钻石弹性应变率从0%到9%这一过程中，我们会看到一些可预计的令人惊讶的性能变化。“

      该团队还包括香港城市大学的Muk-Fung Yuen，刘家斌，陆健，张文军和杨路，以及韩国基础科学研究所的Jichhen Dong和Feng Ding。该研究由香港特别行政区研究资助局，新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟（SMART），新加坡南洋理工大学和国家自然科学基金会资助。