Bilim: Elmaslar bükülmüş, başka ne yapamaz?
Yazar: küçük yuvarlak kutu HX çılgın grup
Düzenleme: yarın
Bu dünyada bükülemeyecek bir şey var mı?
Varsa, elmas olabilir.
Blingbling elmasları, fotoğraf kaynağı: Gia.edu
Elması bükmek için pek fazla fırsat olmayabilir, ancak bir akide şekeri hayal edin. Akide şekeri kırabilir misin? Her şeyden önce, kaya şekerinin sertliği sizi başlayamayacak hale getiriyor. Öyleyse, çubuk şeklinde bir akide şekeri ise, bükmesi kolay mı? Cevap hala hayır, sadece nazikçe kırmanız gerekiyor ve hemen ikiye bölünecek. Bu fenomenin nedeni, akide şekerinin sadece sert değil aynı zamanda aşırı derecede kırılgan olmasıdır. Eğilmeye kıyasla kırılması daha kolaydır.
Doğada, genel olarak konuşursak, malzeme ne kadar sertse, o kadar kırılgandır. Doğada bilinen en sert malzeme olan elmas elbette çok kırılgandır. Bu nedenle elması kolayca kırabiliyoruz ama bükmek gerçekten çok zor.
Bununla birlikte, bunların hepsi makro ölçekli kurallardır.Bir malzemenin boyutu nanometre seviyesine düştüğünde, genellikle olağanüstü fiziksel özellikler sergileyecektir. Örneğin, bugün, Hong Kong ve Singapur'dan bir grup bilim insanı, "Science" dergisinde, Elması "kırdılar"!
Üç adımda bir elmas nasıl bükülür
Bilim adamları, yüzüğün üzerine işlenmiş elmas türünden değil, her biri yaklaşık 500-1000 nanometre uzunluğunda, yani saçın yüzde biri kadar olan küçük bir nano-elmas iğneyi büküyorlar. .
Nano elmas iğneyi alıp "kırmak" için üç adıma ihtiyacımız var.
Resmin altındaki iğne şeklindeki çıkıntı, nano-elmas bir iğnedir. Resmin üzerindeki "kübik koni", "nano indentasyon" adı verilen bir cihazdır. Resim kaynağı: Referans
İlk adım, bir elmas film tabakası yapmaktır.
Öncelikle, metan gazının geçtiği kapalı bir alana ihtiyacınız var. Ardından, metan moleküllerini yok etmek için bu sınırlı alana yüksek sıcaklık veya yüksek basınç gibi bazı aşırı koşullar uygulayın. Metan molekülünün yapısı, dört hidrojen atomuna bağlı bir karbon atomudur. Bu yapıyı yok etmek, karbon ve hidrojen atomlarını ayırmak ve kaçmalarına izin vermektir. Hidrojen atomları gaza dönüşür ve kaçar; karbon atomları, sınırlı alanın altındaki matris ile kimyasal olarak etkileşime girecek ve yavaş yavaş birikecektir.
Bunun elmaslarla ne alakası var? Elmas, belirli bir duruşta yakından düzenlenmiş bir grup karbon atomudur. Bu nedenle, biriken bu karbon atomlarının düzeni yeterince doğru bir şekilde kontrol edilebildiği sürece, çok ince bir elmas film elde edilebilir.
Nanoteknolojide bu sihirli yönteme " Kimyasal buhar birikimi ". Genel olarak konuşursak, bu yöntemin özü" gazı katı hale getirmek için kullanmaktır. "Her neyse, ilk adımı tamamladık!
İkinci adım, elmas film üzerindeki nano elmas iğneleri "taramaktır".
Bu süreç, bir heykeltıraşın işlerini özenle oyması olarak düşünülebilir. Sadece bir keski kullanmak yerine daha güçlü bir plazma kullanıyor. İyonlar, elektron kaybeden veya kazanan atomların oluşturduğu yüklü parçacıklardır; plazma, iyonların ve elektronların bir karışımıdır. Belirli yollarla, bu plazmalar, elmas film üzerindeki karbon atomlarını "ortadan kaldırabilen" aynı yoğun mermi kümesi gibi büyük enerjiye sahip olacak şekilde yapılabilir. Bir "ateş" patlamasından sonra, büyük bir nanometre elmas iğnesi parçası elde edilebilir.
Plazmayı hayatımızda da görebiliriz - şimşek ve aurora gibi doğal olayların hepsinde plazma var.
Muhteşem aurora, bir plazma ışıltısı olgusudur. Resim kaynağı: pexels.com
Üçüncü adım elması bükmektir!
Bu nano elmas iğneleri aldıktan sonra bükebilirsiniz.
Burada kullanılacak ekipmana " Nano indentasyon ". Nano girinti cihazının tepesi kübik bir konidir. Bu kübik koninin boyutu da nanometre seviyesindedir ve malzeme de elmastır. Test sırasında, kübik koninin nano elmas iğneye temas etmesini sağlamak için bu kübik koninin hareketini kontrol edebiliriz. , Ve esnekliklerini test etmek için yavaş yavaş bükmek için nanoneedle'lere basınç uyguladılar.Bilim adamları bu işlemi son derece yüksek büyütmeli bir mikroskopla gözlemlediler.
Nano elmas iğnelerin yeteneklerini test etmek için nano indentasyon ekipmanı kullanın (yeşil kübik konidir, kırmızı nano elmas iğnedir). Seri A, nano indentasyonun kübik konisinin nanoneedle temas ettiğini ve ikincisine kuvvet uyguladığını gösterir. Belirli bir deformasyon aralığında nanoneedles, kübik koninin dış kuvveti kaldırılarak orijinal şekline geri döndürülebilir. Seri B, çok fazla kuvvet uygulanırsa nanoneedle'lerin de kırılacağını belirtir. Resim kaynağı: Referans
Gözlem kayıtları, bu nano elmas iğnelerin oldukça yüksek esnekliğe sahip olduğunu göstermektedir. Hayatımızda her zaman "esneklik" kelimesinden bahsediyoruz, mesela top "esnek" ve bu karides bile "esnek". Ancak malzeme biliminde esnekliğin kesin tanımı şöyledir: dış kuvvet iptal edildiğinde malzemenin deformasyonu tamamen geri kazanılabilir ve bu özelliğe esneklik denir. Bu ne anlama geliyor? Bu elmas iğneler büküldükten sonra tekrar düzleşeceklerdir - tek bir nano iğne deformasyonun% 9'undan sonra orijinal şekline dönebilir. Bu değer, hesaplama simülasyonunun teorik sınırına zaten yakındır.
Başka bir deyişle, elmas iğnemiz büküldü! Hâlâ kırık! Elbette, kübik koni kuvvet kullanmaya devam ederse, nano-elmas iğne yine de kırılacaktır.
Bu tür bir elmas neden bükülebilir?
Nano elmas iğnelerin yüksek esnekliği iki nedenden kaynaklanmaktadır.
her şeyden önce, Bu nanoneedle tek kristaldir . Atomik düzenlemenin düzenliliğine göre, malzeme tek kristal, polikristal ve amorf olmak üzere ikiye ayrılabilir. Amorf, atomların tamamen düzensiz bir şekilde "istiflendiği" anlamına gelir; tek kristaller, düzgün bir şekilde bir arada düzenlenmiş atomlardır; ikisi arasındaki polikristalin, birçok küçük tek kristalin bir araya getirilmesi olarak anlaşılabilir, bir karşılaştırma var Birçok bağlantı da daha kırılgandır. Nano elmas iğnede, karbon atomlarının düzeni neredeyse mükemmel bir tek kristaldir, bu nedenle çok iyi mekanik mukavemete sahiptir.
Ek olarak, Nano elmas iğneler ayrıca pürüzsüz bir yüzeye sahiptir . Yüzeydeki az veya çok kusurlar nedeniyle birçok malzeme kırılır veya tahrip olur. Genel olarak yüzey kusurlarını ambalaj poşetindeki boşluklar olarak düşünebilirsiniz, bu boşluklara kuvvet uygulamak ambalajı kolayca yırtabilir. Uyguladığımız kuvvet boşlukta toplanarak sözde "gerilme konsantrasyonu" etkisini oluşturduğundan, malzeme kolayca yok edilebilir. Nano elmas iğnenin yüzeyi son derece pürüzsüz olduğundan ve neredeyse hiç kusur içermediğinden, bu durum doğal olarak önlenir.
Ultra yüksek çözünürlüklü bir mikroskop kullanarak, nano elmas iğnelerin çok pürüzsüz olduğunu gözlemleyin. Sol üst köşedeki küçük resim, nanoneedle'ın tek bir kristal olduğunu kanıtlayan, seçilmiş alan elektron kırınımı adı verilen bir tekniktir. Resim kaynağı: Referans
Peki bu nano elmas iğneler ne işe yarar?
Her şeyden önce, Elmaslar organizmalarla iyi bir şekilde bir arada bulunabilir ve organizmalara zarar vermez . Bu nedenle, nanodiamondlar biyo görüntüleme ve biyoalgılama alanında önemli uygulamalara sahiptir. Bu şekilde bükülebilen elmaslar daha geniş bir uygulama alanına sahip olabilir. Ek olarak, Yüksek mukavemetli nano malzemelere ihtiyaç duyulduğunda, nano elmas iğneler becerilerini gösterebilir . Ancak bunlar sadece fikirlerdir.Nano elmas iğnelerin nasıl uygulanacağı daha fazla araştırma ve keşif gerektirir.
Ancak bu araştırmadan sonra insanlar bazı yeni fikirler oluşturabilirler - belki de iyi bir elmas sert ve bükülebilir olabilir!
Yazar hakkında:
Yuvarlak kare: Tianjin Üniversitesi Malzeme Bilimi doktora öğrencisi, Universite Paul Sabatier, Fransa tarafından birlikte eğitilmiştir
HX: "Onion Daily", Peking Üniversitesi'nin özel muhabir istasyonunda muhabir. Hesaplamalı kimya alanında doktora için çalışıyorum. Elim o kadar engelli ki sadece sıra tabanlı oyunlar oynayabiliyorum.
Çılgın grup: Dilbilim alanında doktora, dil ve kültürün bölgesel ortakyaşamını incelemek, Japonya'nın karlı (küçük) ülkesinde (köy), sessizce sözlüğe bakarak ve hamster gibi pisliği yemek ve kendini yenmek.
Referanslar
A. Banerjee ve diğerleri, Science, 2018 (360), 300-302.
X. Zhu ve diğerleri, Adv. Healthc. Mater. 2016 (5), 11571168.
Liu Hongwen, "Mechanics of Materials (Beşinci Baskı)", Higher Education Press.
Bireyler arkadaş çevresine iletebilirler
Bu makale Guo kabuk ağından geliyor
Tezden bilime sadece bir adım var
Başvuru için lütfen sns@guokr.com ile iletişime geçiniz.
Yeniden basmak için lütfen bilimselguokr@163.com ile iletişime geçin.
Elmasların gücünü bile bilmiyorsun Bunu beğenmiştim!
