(Adrienne Bresnahan/Getty Images) Diamant ist eines der härtesten Materialien auf dem Planeten, aber Wissenschaftler haben einen neuen Weg gefunden, ihn zu biegen und zu verformen – und der Schlüssel zu diesen Prozessen liegt darin, in möglichst kleinen Maßstäben zu arbeiten.
Indem die Forscher ein elektrisches Feld auf Diamant-Nanonadeln mit einer Länge von nur 20 Nanometern (etwa 10.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar) richteten, gelang es ihnen, sie um 90 Grad zu biegen, ohne zu brechen.
A Rasterelektronenmikroskop Für den Schiebevorgang wurde ein Metall verwendet, das zu keinen Beschädigungen oder Defekten am Diamanten führt, jedoch genügend elektrostatische Aufladung erzeugt, um die Nadeln umzubiegen. Der Prozess ist auch reversibel.
Diese bemerkenswerte Leistung könnte eine Reihe von Anwendungen für die Verwendung von Diamanten haben – zum Beispiel bei der Speicherung von Energie oder in Schutzmaterialien oder sogar in Quanten-Computing – aber die Forscher sagen, dass ihre Arbeit auch vor möglichen Herausforderungen für die Nanotechnologie warnt.
Diamant-Nanonadeln unter Druck. (Regan et al., Advanced Materials, 2020)
„Diamond ist der Spitzenreiter für neue Anwendungen in der Nanophotonik, mikroelektrischen mechanischen Systemen und Strahlenschutz.“ sagt der Materialwissenschaftler Blake Regan , von der University of Technology Sydney (UTS) in Australien.
„Wir müssen wissen, wie sich diese Materialien auf der Nanoskala verhalten – wie sie sich biegen, verformen, ihren Zustand ändern und reißen.“ Und für einkristalline Diamanten lagen uns diese Informationen nicht vor.“
Regan und seine Kollegen interessieren sich dafür, wie sich die mechanischen Eigenschaften von Materialien ändern können, wenn man mit sehr kleinen Proben davon arbeitet; Sie führten parallel zu ihren Experimenten Molekulardynamiksimulationen durch, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu analysieren.
Neben dem Vor- und Zurückbiegen der Diamant-Nanonadeln beobachteten die Forscher auch eine neue Art von Plastische Verformung , wo die Nadeln nicht Zurückbiegen. Dies gelang erst, als die Abmessungen der Nanonadeln und die Ausrichtung der Diamantkristalle ganz gezielt festgelegt wurden.
Durch ihre Simulationen entdeckte das Team auch einen neuen hypothetischen Zustand von Kohlenstoff, den sie O8-Kohlenstoff nannten: Er sieht so aus, als würde Diamant einer Belastung ausgesetzt, wobei die Bindungen nach und nach wie ein Reißverschluss aufbrechen.
Alle diese Entdeckungen sind sowohl für die Untersuchung von Diamanten als auch für die Untersuchung der Nanotechnologie im Allgemeinen von großem Nutzen. Diamantschliffe auf diese Größe zu bringen, ist im Moment nicht einfach, könnte aber in der Zukunft viele potenzielle Verwendungsmöglichkeiten haben.
Die Forscher hinter der neuesten Studie sind nicht die ersten, die herausgefunden haben, wie man Diamanten biegen kann, ohne dass er bricht: ähnliche Ergebnisse In der vor zwei Jahren veröffentlichten Studie ging es auch um Diamant-Nanonadeln, die jedoch mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt und getestet wurden.
„Dies sind sehr wichtige Erkenntnisse über die Dynamik der Verformung und Biegung nanostrukturierter Materialien und darüber, wie eine Änderung der Parameter einer Nanostruktur alle ihre physikalischen Eigenschaften von mechanisch über magnetisch bis hin zu optisch verändern kann.“ sagt der Physiker Igor Aharonowitsch von UTS.
„Die möglichen Anwendungen der Nanotechnologie sind sehr vielfältig. „Unsere Erkenntnisse werden das Design und die Konstruktion neuer Geräte in Anwendungen wie Superkondensatoren oder optischen Filtern oder sogar Luftfiltration unterstützen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe .