研究人员发现纳米线具有不同寻常的“无弹性”特性

立即释放

朱勇 勇_zhu@ncsu.edu 919.513.7735

高华健博士 华健_gao@brown.edu 401.863.2626

伊丽莎白·迪基 ecdickey@ncsu.edu 919.515.3920

马特希普曼 马特_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗来纳州立大学和布朗大学的研究人员发现，由普通半导体材料制成的纳米线（纳米线）具有明显的滞弹性，这意味着当弯曲时，金属丝缓慢返回原来的形状，而不是快速回弹。

“所有材料都有一定程度的反弹性，但在宏观尺度上通常是可以忽略的，”北卡州立大学机械与航空航天工程副教授朱永(音译)说，他是描述这项工作的一篇论文的通讯作者。“因为纳米线是如此之小，它的反弹性是显著的，而且很容易观察到——尽管当我们第一次发现纳米线的反弹性时，我们完全感到惊讶。”这种滞弹性是朱先生和他的学生在研究纳米线的屈曲行为时发现的。

“滞弹性是纳米线的一个基本力学特性，如果我们想将纳米线融入电子或其他设备中，我们需要了解这种力学行为，”北卡罗来纳州材料科学与工程教授、论文合著者伊丽莎白·迪基说。纳米线有着广泛的应用前景，包括灵活、可拉伸和可穿戴的电子设备。

研究人员对氧化锌和硅纳米线进行了研究，发现当弯曲时，纳米线的80%会瞬间恢复到原来的形状，但剩下的部分(高达20%)会慢慢恢复。

“在直径约为50纳米的纳米线中，它们需要20或30分钟才能恢复原来20%的形状，”朱教授实验室的博士生、论文的第一作者程光明说。

这项工作是利用朱的小组开发的工具完成的，这些工具使研究小组能够在扫描电子显微镜下对纳米线进行实验。另外的分析是在北卡罗来纳州的分析仪器设备中，使用一台泰坦畸变校正扫描透射电子显微镜进行的。

当任何材料弯曲时，原子之间的键被拉伸或压缩以适应弯曲，但在纳米尺度材料中，原子也有时间从材料的压缩区域移动或扩散到材料的拉伸区域。如果你把弯曲的纳米线想象成一个拱门，原子正在从拱门的内部向外部移动。当弯曲的金属丝中的张力被释放时，那些简单地靠近或远离的原子立即弹回来;这就是我们所说的弹性。但是所有移动到不同位置的原子都需要时间才能回到原来的位置。这种时间滞后是滞弹性的特征。

这种现象在纳米线中很明显。例如，氧化锌纳米线表现出非弹性行为，它比散装材料中观察到的最大滞弹性大四个数量级，恢复时间尺度为几分钟，”布朗大学教授兼该论文的联合作者华建高说。Gao的研究小组的详细模型表明，纳米线明显的滞弹性是因为原子通过纳米材料比通过大块材料更容易移动。原子不必走那么远。此外，纳米线可以比较粗的线弯曲得更远，而不会永久变形或断裂。

“一位评论家评论说，这是纳米结构力学这本书的一个新的重要的一页，这是非常恭维听到，”朱说。研究小组计划探索这种明显的滞弹性是否在纳米材料和结构中普遍存在。他们还想评估这种特性如何影响其他特性，如导电性和热传输。

报纸上说单晶纳米线的大滞弹性及其能量耗散，在线发表在期刊上纳米技术．该论文的主要作者是北卡罗来纳州立大学的博士生程光明、布朗大学的苗春阳和南京航空航天大学。作者包括北卡罗莱纳州的秦清泉、李静、徐峰;布朗大学的哈米德·哈夫特巴拉达兰和华坚·高。高是朱的通讯作者。

这项工作是在国家科学基金会的资助下完成的。

-船夫-

编辑注意：研究摘要如下。

单晶纳米线的大滞弹性及相关能量耗散

作者:程光明、秦清泉、李静、徐峰、Elizabeth C. Dickey、朱勇、北卡罗来纳州立大学;苗春阳，布朗大学，南京航空航天大学;哈米德·哈夫特巴拉达兰和高华坚，布朗大学

发表：7月13日，纳米技术

内政部：10.1038/nnano.2015.141号

文摘:滞弹性材料表现出逐渐完全恢复变形一旦负载被删除，导致内部机械能的有效耗散。因此，滞弹性材料正在研究能量阻尼应用。然而，在宏观尺度上，相对论通常很小或可以忽略不计，尤其是在单晶材料中。在这里，我们表明单晶ZnO和p掺杂Si纳米线（NWs）可以表现出比在体材料中观察到的最大滞弹性大四个数量级的滞弹性行为，恢复时间标度为分钟。原位扫描电子显微镜（SEM）测试表明，在消除弯曲载荷和瞬时恢复弹性应变后，总应变的很大一部分随时间逐渐恢复。我们将观察到的大滞弹性归因于应力梯度诱导的点缺陷迁移，这一点得到了电子能量损失谱（EELS）测量的支持，也得到了在拉伸下无法观察到滞弹性行为的事实的支持。我们通过在高初始应变梯度和短扩散距离下点缺陷扩散的理论框架来模拟这种行为，扩展了经典的Gorsky理论。最后，我们发现ZnO单晶纳米线具有1.13的阻尼优点指数，这表明具有点缺陷的晶体纳米线是高效能量阻尼材料的潜在候选材料。