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液态机器人应用不太远

2014/10/21 10:20:08

  在极小的纳米尺度下(小于10纳米),纳米金属颗粒无论怎么挤压、拉伸、剪切,都可以回复原形。 东南大学孙立涛研究团队供图

  在科幻片《终结者》中,施瓦辛格掏出霰弹枪朝液态机器人射击,身体被打穿了数个大窟窿的液态机器人,却能恢复原形“满血复活”。日前,记者从东南大学获悉,该校电子科学与工程学院孙立涛教授的研究团队,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,即在极小的纳米尺度下(小于10纳米),普通的固态金属无论如何受力形变,都可以恢复原形。

  而通过这项研究,与《终结者》中的液态金属机器人相似的“缩微版”,在不久的将来, 有望应用在生物医学等领域。这项历时3年的研究,孙立涛团队与浙江大学电子显微镜中心张泽院士、麻省理工学院李巨教授和匹兹堡大学毛星源教授的团队合作,在最新一期《自然材料》(Nature Materials)上在线发表的论文,是对经典金属塑性变形理论在纳米尺度下的一次重大修正和超越。

  发现:极小纳米尺度下,金属颗粒仿佛穿上“水膜”外衣,兼具固体和液体特性

  “这个发现,虽然纯属意外,但在意料之中”。这篇论文的第一作者、东南大学电子科学与工程学院博士生孙俊介绍,孙立涛教授2008年从德国归来前,一直从事辐照高温条件下纳米金属在碳纳米管和碳洋葱内的高压变形行为研究,极小的纳米金属在被间接挤压出来后,迅速凝聚成一个小颗粒,给科研人员留下了很深刻的印象,让人隐隐约约已经有了一些类液体想法。

  2011年6月的一天,团队通过透射电子显微镜,观察一个存储器元器件工作时的结构变化。当晚11点多,成员们工作时不小心从一块金属电极上,蹭下来一小块银金属颗粒。

  “试着直接挤压一下它,看看是什么情况?”在孙立涛的建议下,大家小心翼翼将这块金属颗粒进行了挤压和拉伸,但当撤去外力时,它又恢复了原状。这样的结果令他们大感意外。

  有了这次意外收获,团队决心有意识地在该领域做深入研究。经过两年上百次的实验,并请麻省理工学院合作人员通过计算机进行模拟获得支持数据,最终他们发现,在极小的纳米尺度下(小于10纳米),固态金属通过任何受力形变,是可以恢复原形的。而宏观的金属材料变形机制通常遵从的经典位错滑移和孪晶变形理论,却无法解释这个现象。

  “经典金属变形理论基于位错滑移理论,即固体金属的原子有规律地排列成类似阅兵的方阵,遇外力时原子层与原子层之间互相滑动,在无外力干预情况下不可恢复原状。”孙俊向记者解释,但到了极小的纳米尺度,金属表面原子所占比重越来越大,其变形机制,也越来越受表层原子的运动影响。由于表层原子非常活跃,纳米金属就仿佛穿了一层“水膜”一样的外衣,一旦受到外力,“水膜”一样的外层原子就会先运动起来,这时的纳米金属就兼具了固体和液体的特性。纳米金属在挤压后,表层原子迅速移动,形成了新的表面层,而撤除挤压时,这层活跃的“水膜”分子又会呼啦啦往上跑,直到把金属颗粒恢复原形。

  困难:在显微镜下操作极其微小的金属颗粒,是件考验耐心的精细活儿

  从2011年6月第一次发现这一现象,到2014年8月论文在国际期刊上发表,三年的研究时间里,团队遇到了哪些挑战?

  “最大的挑战有两个。”孙俊介绍,首先这一现象与现有理论不符,证明它并非偶发的特殊现象,需要大量的反复试验,而纳米级的金属颗粒极其微小,在显微镜下挤压、拉伸它非常困难。

   10纳米到底有多小呢?把1米分成10亿等份,每一份即一单位的纳米。把一单位纳米放到一个乒乓球上,就相当于把乒乓球放到地球上这样的一种比例。为了得到干净的极小的纳米颗粒,团队成员独辟蹊径,在透射电子显微镜下,利用电迁移方法,把存储器元器件银电极上的银原子现场转移到探针上,并进行进一步的精细化操作。

  “这是件精细活,极其考验耐心和毅力。”孙俊说,由于金属颗粒实在太小,不仅获得它、转移它很困难,将样品杆对准它进行拉伸或者挤压,有时候一天也对不准,有时候调整了半天,金属颗粒却挤偏滑落了。最长的一次,团队曾忙碌了整整一周也毫无收获。

  实验艰难,向国际学术期刊投稿也不太顺利。孙俊回忆,由于实验结果出人意料,有些审稿人无法接受这一观点。经历了漫长的等待,最初投出去的稿子,又被退了回来。去年11月,论文投往《自然材料》,在两次审稿中,有一个审稿人分别提出了14个和7个问题。团队成员随即进行了大量的资料搜集,统计整理过去20年来代表性实验的相关资料,并进行了理论分析。在严谨的实验数据和缜密的理论分析面前,论文终于获得一致通过,并在今年8月被选为11月份《自然材料》的封面论文。

  应用:可广泛应用在计算机、电子器件、军事等领域

  科研人员介绍,在极小的纳米尺度下固体金属可以恢复原形的塑性行为,被称作“赝弹性”。那么赝弹性如何应用?

  据了解,虽说《终结者》里庞大的液体金属机器人无法制造,但是造出微型液态金属机器人,还是指日可待。过去,肠胃病患者做胃镜非常痛苦,有些医院现在应用胶囊镜减轻患者的痛苦,而纳米级的金属材料将走得更远;再如,微型的液态金属机器人还能深入患者的毛细血管,作为清除血栓的清道夫。

   同时,纳米金属这种“无论如何扭曲挤压都会恢复原形”的特质,可以应用制造大变形无磨损的金属关节和记忆开关,在传感器和纳米机器人领域得到广泛应用。可折叠的手机屏幕、可贴在人皮肤上测量血压和心率的医用智能皮肤等,往往不能经受长时间的变形而断裂,纳米金属颗粒的发现,将有可能制作出永不断裂的可折叠电子器件。

  在军事领域,一些国家制造出模仿蜻蜓扑翼飞行原理的微型侦察机器蜻蜓,其高频率高速扑打会出现翅膀磨损变形等问题,而应用这项新成果,这一技术手段将有望得到改进。

  “就像一把双刃剑,赝弹性有着正反两方面的应用”。据团队研究人员介绍,当前随着半导体技术的发展,集成电路中金属互连线以及电极的特征尺寸正向10纳米逼近,作为基础框架的金属形态,无法像块体材料那样保持稳定性,金属导线将难以做成长条状,这无疑向现代集成电路产业提出了挑战。研究团队认为,要解决这一技术瓶颈,可在金属导线的表面镀一层氧化膜,或者掺杂一些其他原子,使其表面活跃的原子“凝固”,未来就有望制造出元器件和芯片更小、运算速度更快的电子计算机。

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