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纳米世界里常温金属当面团揉

2014/10/16 10:42:23

  在科幻大片《终结者》系列中,常常出现这样的场面:阿诺德施瓦辛格掏出霰弹枪朝液体机器人射击,巨响过后,身体和脑袋被打穿了数个大窟窿的液体机器人又慢慢恢复了原形。真是打不死的“小强”!

  这真的是遥远的明日科技吗?还是就在我们身边发生的事实?

  东南大学孙立涛教授研究团队发现,在极小的纳米尺度下(小于10纳米),普通的固态金属在挤压、拉伸等外力作用下,会像揉面团那样柔软,甚至像液态那样任意变形;更为奇特的是,外力撤除后,还可以恢复原形。10月12日,这项研究的论文发表在国际著名期刊《自然材料》上,并被评为封面文章。

  且慢,真的是普通的金属就可以吗?这不合乎直觉。

  对,你没有看错,普通金属在室温下,就可能有这种神奇的特性,但是前提是要在纳米尺度下。

  东南大学电子科学与工程学院孙立涛教授团队发展了一种原位电子显微学技术,并基于此在国际上首次观察到10纳米以下固态金属银颗粒在室温下的类液态行为。

  科研人员告诉科技日报记者,宏观的金属材料的变形机制通常遵从经典的位错滑移和孪晶变形理论。然而,到了极小的纳米尺度,金属表面原子所占的比重越来越大,其变形机制越来越受表层原子的运动影响。我们都知道,表层原子是很活跃的,纳米金属就仿佛穿了一层水膜一样的外衣,一旦受到任何外力,“水膜”一样的外层原子就会呼啦啦先运动起来。这时候,纳米金属就兼具了固体和液体的特性,在挤压后,表层原子迅速移动,形成了新的表面层。

  这种变形机制会带来一个特别的后果,那就是当撤除挤压时,这层活跃的“水膜”分子又会呼啦啦往上跑,以降低表面能,直到把金属颗粒恢复原形。这样,就出现了实验中观察到的那神奇一幕,不论怎么挤压,金属颗粒最终都会恢复原形。

  科研人员把这种可以恢复原形的塑性行为,叫做赝弹性。

  这种奇特的纳米颗粒塑性形变,超越了传统的金属物理中位错等缺陷导致的塑性形变理论,在变形的整个过程中颗粒内部始终保持着完好的晶态结构。这一发现暗示,随着金属颗粒尺寸减小,经典的Hall-Petch规律中“越小越强”不再适用,会逐渐过渡到“越小越弱”。

  这种神奇的赝弹性,会给我们带来一系列神奇的结果。例如,可以制造出无论怎们变形都可以复原的金属关节,具有记忆功能的存储器件,打不穿的金属防弹衣,甚至还包括我们前面提到的《终结者》液体金属机器人。

  同时,这项工作对于如何维持下一代纳米电子器件中的互连线和电极的稳定性,以及如何实现超小尺寸的纳米加工工艺,有着重要的指导意义。因为随着现代半导体技术的发展,集成电路中金属互连线以及电极的特征尺寸正在向10纳米逼近。在这样小的尺度下,作为基础框架的金属形态是否还能像块体材料那样稳定,科学家以前并不清楚。现在新的问题是,证实了纳米金属颗粒塑性形变的现象后,如何保障在如此小尺度下电子器件物理性能的稳定性?这一问题向现代集成电路产业提出了新理论和技术的挑战。

  据悉,这项工作是东南大学传统电子学科与新兴纳米领域的交叉与融合的结果,得益于学校长期对基础研究和国际学术交流合作的支持与重视。孙立涛教授课题组近年来依托原位透射电子显微学技术,已经在微纳米器件、新型二维材料、纳米金属变形机制等领域取得了一系列研究成果。

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