城大發現納米鑽石具超彈性 屬全球首次


香港城市大學(城大)領導的國際研究團隊發現,納米級鑽石能夠承受極大的變形並能完全恢復原狀。這項全球首次的發現,將對納米科技、生物醫學領域,以至量子資訊科技產生重要影響。 

研究團隊由機械及生物醫學工程學系副教授陸洋博士領導。研究顯示,若鑽石的大小降至約100納米(約人類頭髮六百分之一粗幼),其單晶結構樣本的拉伸彈性應變可達約9%,非常接近鑽石在理論上所能達到的應變極限。而通常大顆鑽石被大眾認為是「不可變形的」,過往曾錄得應變僅有0.1%至0.35%。

這項突破性發現,本周在著名的《科學》期刊上發表,題為「納米鑽石的超大彈性變形」。論文的共同第一撰寫人包括陸博士指導的研究生Amit Banerjee張洪題。研究團隊的其他成員為來自美國麻省理工學院、韓國蔚山科學技術院及新加坡南洋理工大學的材料科學家及機械工程師。

陸博士和團隊希望透過此項目,利用城大獨有的電子顯微鏡內之原位納米壓痕儀平台,探索鑽石在納米尺度下的機械特性。納米鑽石樣本由城大材料科學及工程學系張文軍教授製造。

鑽石為世上最堅硬的物料,常被用作切割及鑽探工具,亦被用作測試其他物料的機械性質,但如何以鑽石測試鑽石?為了這一特殊的實驗,陸博士特別研發了嶄新的「壓縮-彎曲」測試法,從納米壓痕儀尖端的側面向鑽石納米針施加壓力。

實驗發現鑽石的大變形可以完全逆轉,即把納米鑽石變形的壓力撤除後,鑽石能夠即時回復原狀,這意味鑽石亦可具有彈性。

經過無數通宵達旦的實驗,最終取得突破發現時,陸博士形容團隊當時「極感興奮」。

陸博士說:「這項發現將徹底改變了我們對鑽石的一貫認知。」  

由於鑽石與人體相容,因此這項研究極有發展前景。未來有可能進一步探索的領域包括以納米鑽石針把藥物傳輸至人體細胞。陸博士說:「我們發現了納米鑽石具有彈性,知道鑽石針並不如預期的脆弱,可使這種細胞內藥物傳輸更持久,且成本更低。」

「下一代的資訊技術也可能以鑽石為本。具備可控點缺陷的納米級鑽石可用作量子計算及量子資訊處理。」陸博士預測說:「我們對納米鑽石特性的發現,可讓製造商生產極可靠、高效率的鑽石共振器及感應器,用於快速數據儲存及資訊傳輸。未來的電腦將會更小、更薄、運算速度更快。」 

這項嶄新的發現,將擴大鑽石的實際應用範疇,包括納米機械工程、生物醫學工程、光子學、光電子學,以及超強韌物料。

該研究得到香港研究資助局及國家自然科學基金資助。

編輯注意:

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圖片說明: 城大研究團隊發現納米級鑽石能夠承受極大的彈性變形。(左起:陸洋博士、張洪題、張文軍教授、Amit Banerjee)。

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圖片說明: 對鑽石針進行「壓縮-彎曲」納米機械測試。

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