在極小的納米尺度下（小于10納米），納米金屬顆粒無(wú)論怎么擠壓、拉伸、剪切，都可以回復(fù)原形。
東南大學(xué)孫立濤研究團(tuán)隊(duì)供圖
在科幻片《終結(jié)者》中，施瓦辛格掏出霰彈槍朝液態(tài)機(jī)器人射擊，身體被打穿了數(shù)個(gè)大窟窿的液態(tài)機(jī)器人，卻能恢復(fù)原形“滿血復(fù)活”。日前，記者從東南大學(xué)獲悉，該校電子科學(xué)與工程學(xué)院孫立濤教授的研究團(tuán)隊(duì)，首次觀察到10納米以下固態(tài)金屬銀顆粒在室溫下的類液態(tài)行為，即在極小的納米尺度下（小于10納米），普通的固態(tài)金屬無(wú)論如何受力形變，都可以恢復(fù)原形。
而通過(guò)這項(xiàng)研究，與《終結(jié)者》中的液態(tài)金屬機(jī)器人相似的“縮微版”，在不久的將來(lái)，有望應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。這項(xiàng)歷時(shí)3年的研究，孫立濤團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)電子顯微鏡中心張澤院士、麻省理工學(xué)院李巨教授和匹茲堡大學(xué)毛星源教授的團(tuán)隊(duì)合作，在最新一期《自然材料》（Nature Materials）上在線發(fā)表的論文，是對(duì)經(jīng)典金屬塑性變形理論在納米尺度下的一次重大修正和超越。
發(fā)現(xiàn)：極小納米尺度下，金屬顆粒仿佛穿上“水膜”外衣，兼具固體和液體特性
“這個(gè)發(fā)現(xiàn)，雖然純屬意外，但在意料之中”。這篇論文的第一作者、東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生孫俊介紹，孫立濤教授2008年從德國(guó)歸來(lái)前，一直從事輻照高溫條件下納米金屬在碳納米管和碳洋蔥內(nèi)的高壓變形行為研究，極小的納米金屬在被間接擠壓出來(lái)后，迅速凝聚成一個(gè)小顆粒，給科研人員留下了很深刻的印象，讓人隱隱約約已經(jīng)有了一些類液體想法。
2011年6月的一天，團(tuán)隊(duì)通過(guò)透射電子顯微鏡，觀察一個(gè)存儲(chǔ)器元器件工作時(shí)的結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)晚11點(diǎn)多，成員們工作時(shí)不小心從一塊金屬電極上，蹭下來(lái)一小塊銀金屬顆粒。
“試著直接擠壓一下它，看看是什么情況？”在孫立濤的建議下，大家小心翼翼將這塊金屬顆粒進(jìn)行了擠壓和拉伸，但當(dāng)撤去外力時(shí)，它又恢復(fù)了原狀。這樣的結(jié)果令他們大感意外。
有了這次意外收獲，團(tuán)隊(duì)決心有意識(shí)地在該領(lǐng)域做深入研究。經(jīng)過(guò)兩年上百次的實(shí)驗(yàn)，并請(qǐng)麻省理工學(xué)院合作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬獲得支持?jǐn)?shù)據(jù)，最終他們發(fā)現(xiàn)，在極小的納米尺度下（小于10納米），固態(tài)金屬通過(guò)任何受力形變，是可以恢復(fù)原形的。而宏觀的金屬材料變形機(jī)制通常遵從的經(jīng)典位錯(cuò)滑移和孿晶變形理論，卻無(wú)法解釋這個(gè)現(xiàn)象。
“經(jīng)典金屬變形理論基于位錯(cuò)滑移理論，即固體金屬的原子有規(guī)律地排列成類似閱兵的方陣，遇外力時(shí)原子層與原子層之間互相滑動(dòng)，在無(wú)外力干預(yù)情況下不可恢復(fù)原狀。”孫俊向記者解釋，但到了極小的納米尺度，金屬表面原子所占比重越來(lái)越大，其變形機(jī)制，也越來(lái)越受表層原子的運(yùn)動(dòng)影響。由于表層原子非常活躍，納米金屬就仿佛穿了一層“水膜”一樣的外衣，一旦受到外力，“水膜”一樣的外層原子就會(huì)先運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這時(shí)的納米金屬就兼具了固體和液體的特性。納米金屬在擠壓后，表層原子迅速移動(dòng)，形成了新的表面層，而撤除擠壓時(shí)，這層活躍的“水膜”分子又會(huì)呼啦啦往上跑，直到把金屬顆粒恢復(fù)原形。
困難：在顯微鏡下操作極其微小的金屬顆粒，是件考驗(yàn)?zāi)托牡木?xì)活兒
從2011年6月第一次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，到2014年8月論文在國(guó)際期刊上發(fā)表，三年的研究時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)遇到了哪些挑戰(zhàn)？
“最大的挑戰(zhàn)有兩個(gè)。”孫俊介紹，首先這一現(xiàn)象與現(xiàn)有理論不符，證明它并非偶發(fā)的特殊現(xiàn)象，需要大量的反復(fù)試驗(yàn)，而納米級(jí)的金屬顆粒極其微小，在顯微鏡下擠壓、拉伸它非常困難。
10納米到底有多小呢？把1米分成10億等份，每一份即一單位的納米。把一單位納米放到一個(gè)乒乓球上，就相當(dāng)于把乒乓球放到地球上這樣的一種比例。為了得到干凈的極小的納米顆粒，團(tuán)隊(duì)成員獨(dú)辟蹊徑，在透射電子顯微鏡下，利用電遷移方法，把存儲(chǔ)器元器件銀電極上的銀原子現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到探針上，并進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化操作。
“這是件精細(xì)活，極其考驗(yàn)?zāi)托暮鸵懔Α?rdquo;孫俊說(shuō)，由于金屬顆粒實(shí)在太小，不僅獲得它、轉(zhuǎn)移它很困難，將樣品桿對(duì)準(zhǔn)它進(jìn)行拉伸或者擠壓，有時(shí)候一天也對(duì)不準(zhǔn)，有時(shí)候調(diào)整了半天，金屬顆粒卻擠偏滑落了。最長(zhǎng)的一次，團(tuán)隊(duì)曾忙碌了整整一周也毫無(wú)收獲。
實(shí)驗(yàn)艱難，向國(guó)際學(xué)術(shù)期刊投稿也不太順利。孫俊回憶，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果出人意料，有些審稿人無(wú)法接受這一觀點(diǎn)。經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的等待，最初投出去的稿子，又被退了回來(lái)。去年11月，論文投往《自然材料》，在兩次審稿中，有一個(gè)審稿人分別提出了14個(gè)和7個(gè)問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)成員隨即進(jìn)行了大量的資料搜集，統(tǒng)計(jì)整理過(guò)去20年來(lái)代表性實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料，并進(jìn)行了理論分析。在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和縝密的理論分析面前，論文終于獲得一致通過(guò)，并在今年8月被選為11月份《自然材料》的封面論文。
應(yīng)用：可廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、電子器件、軍事等領(lǐng)域
科研人員介紹，在極小的納米尺度下固體金屬可以恢復(fù)原形的塑性行為，被稱作“贗彈性”。那么贗彈性如何應(yīng)用？
據(jù)了解，雖說(shuō)《終結(jié)者》里龐大的液體金屬機(jī)器人無(wú)法制造，但是造出微型液態(tài)金屬機(jī)器人，還是指日可待。過(guò)去，腸胃病患者做胃鏡非常痛苦，有些醫(yī)院現(xiàn)在應(yīng)用膠囊鏡減輕患者的痛苦，而納米級(jí)的金屬材料將走得更遠(yuǎn)；再如，微型的液態(tài)金屬機(jī)器人還能深入患者的毛細(xì)血管，作為清除血栓的清道夫。
同時(shí)，納米金屬這種“無(wú)論如何扭曲擠壓都會(huì)恢復(fù)原形”的特質(zhì)，可以應(yīng)用制造大變形無(wú)磨損的金屬關(guān)節(jié)和記憶開(kāi)關(guān)，在傳感器和納米機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。可折疊的手機(jī)屏幕、可貼在人皮膚上測(cè)量血壓和心率的醫(yī)用智能皮膚等，往往不能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的變形而斷裂，納米金屬顆粒的發(fā)現(xiàn)，將有可能制作出永不斷裂的可折疊電子器件。
在軍事領(lǐng)域，一些國(guó)家制造出模仿蜻蜓撲翼飛行原理的微型偵察機(jī)器蜻蜓，其高頻率高速撲打會(huì)出現(xiàn)翅膀磨損變形等問(wèn)題，而應(yīng)用這項(xiàng)新成果，這一技術(shù)手段將有望得到改進(jìn)。
“就像一把雙刃劍，贗彈性有著正反兩方面的應(yīng)用”。據(jù)團(tuán)隊(duì)研究人員介紹，當(dāng)前隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，集成電路中金屬互連線以及電極的特征尺寸正向10納米逼近，作為基礎(chǔ)框架的金屬形態(tài)，無(wú)法像塊體材料那樣保持穩(wěn)定性，金屬導(dǎo)線將難以做成長(zhǎng)條狀，這無(wú)疑向現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)提出了挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要解決這一技術(shù)瓶頸，可在金屬導(dǎo)線的表面鍍一層氧化膜，或者摻雜一些其他原子，使其表面活躍的原子“凝固”，未來(lái)就有望制造出元器件和芯片更小、運(yùn)算速度更快的電子計(jì)算機(jī)。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2014年10月20日 12 版）
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