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納米尺度變形的超敏感測量及應(yīng)用

2017-07-19 14:39:39 作者：本網(wǎng)整理來源：新材料在線分享至：

實驗中所使用銅柱的掃描電子顯微鏡圖像來自：加州理工學(xué)院

納米級的變形可能會影響高精度的實驗，比如先進(jìn)的激光干涉重力波觀測臺(LIGO)。

加州理工學(xué)院的一名研究生已經(jīng)證明得到：材料在屈服前會經(jīng)歷非彈性變形，這可能會影響材料的性能，從而使得材料的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定堅固。

Xiaouye Ni在Julia R. Greer的實驗室長期致力于材料的研究，他同時還是加州理工學(xué)院材料科學(xué)與力學(xué)系教授,他發(fā)現(xiàn)金屬在達(dá)到應(yīng)變極限之前就會發(fā)生永久的變形。

例如，拿一個金屬尺，把它稍微彎曲一下。當(dāng)你放手的時候，它就會重新回到原來的形狀。但是，如果你用同樣的尺子，把它彎曲得很硬，它就會達(dá)到屈服點，這樣它就會永久彎曲。

在材料科學(xué)中，對于上述產(chǎn)生的現(xiàn)象做出如下解釋：

當(dāng)你在它的屈服點下變形一種物質(zhì)時，你只是暫時拉伸了它原子之間的鍵。材料的原子層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生永久性的變化，變形是完全可恢復(fù)的和瞬時的。這種臨時拉伸叫做彈性形變。

變形金屬經(jīng)過它的屈服點，從而就會導(dǎo)致先前存在的線缺陷發(fā)生移動，這種現(xiàn)象被稱為錯位，這導(dǎo)致了永久變形。這些錯位在晶格層中移動，在它們相互纏繞的過程中產(chǎn)生更多的錯位。而這些運動最終導(dǎo)致了永久的塑性變形。

屈服點通常被認(rèn)為是一種離散現(xiàn)象，即當(dāng)材料超出其屈服點的時候，就會開始移動。然而，Xiaouye Ni的數(shù)據(jù)顯示，在物質(zhì)開始變形的過程中，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，在達(dá)到其屈服點之前就已經(jīng)存在了。

Greer說:“世界上每一位材料科學(xué)家和每一本教科書都會告訴你，當(dāng)你變形任何物質(zhì)的時候，無論是金屬、木頭、任何一種紡織品，任何東西——首先發(fā)生的是彈性形變，它會立即恢復(fù)。這是最基本的概念，幾乎所有的機(jī)械和材料科學(xué)課程都是依它為基礎(chǔ)的。”

為了探究材料在彎曲的過程中發(fā)生了什么變化，Xiaouye Ni制造了500納米寬的銅柱(是人類頭發(fā)的200倍厚)，用鉆石觸控筆壓在材料表面。

這支筆施加比銅的屈服點還小的固定壓力，然后輕微地振蕩。

她發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)受了這些振蕩之后，這些銅柱緩慢地恢復(fù)到原來的形狀，便未發(fā)生變形。

XiaouyeNi說:“如果這種變形是純彈性的，那就不會發(fā)生，因為它會立即恢復(fù)。”

這一遲緩的反應(yīng)表明，這些銅柱產(chǎn)生了內(nèi)部阻力，這是非彈性變形的標(biāo)志。

Greer說:“XiaouyeNi的數(shù)據(jù)顯示，從第一次開始變形的時候，位錯開始增多，既然我們知道怎么做，我們就可以探測各種不同種類的材料。”

Xiaouye Ni說，這一發(fā)現(xiàn)可以被應(yīng)用到許多研究領(lǐng)域。你可以利用這一方法觀察到，你距離位錯變形有多接近。此外，對于高精度的實驗，如先進(jìn)的激光干涉引力波天文臺(LIGO)——在2016年第一次探測到引力波——即使是納米級的震動，也能產(chǎn)生噪音，我們要設(shè)法使其消除。

這項研究被刊登在4月14日發(fā)表的物理評論快報上，名為“通過動態(tài)機(jī)械分析對小型的面心立方晶體的微可塑性進(jìn)行探測。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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