纳米尺度变形的超敏感测量及应用
2017-07-19 14:39:39
作者：本网整理 来源：新材料在线
实验中所使用铜柱的扫描电子显微镜图像 来自：加州理工学院
纳米级的变形可能会影响高精度的实验，比如先进的激光干涉重力波观测台(LIGO)。
加州理工学院的一名研究生已经证明得到：材料在屈服前会经历非弹性变形，这可能会影响材料的性能，从而使得材料的结构更加稳定坚固。
Xiaouye Ni在Julia R. Greer的实验室长期致力于材料的研究，他同时还是加州理工学院材料科学与力学系教授,他发现金属在达到应变极限之前就会发生永久的变形。
例如，拿一个金属尺，把它稍微弯曲一下。当你放手的时候，它就会重新回到原来的形状。但是，如果你用同样的尺子，把它弯曲得很硬，它就会达到屈服点，这样它就会永久弯曲。
在材料科学中，对于上述产生的现象做出如下解释：
当你在它的屈服点下变形一种物质时，你只是暂时拉伸了它原子之间的键。材料的原子层结构不会发生永久性的变化，变形是完全可恢复的和瞬时的。这种临时拉伸叫做弹性形变。
变形金属经过它的屈服点，从而就会导致先前存在的线缺陷发生移动，这种现象被称为错位，这导致了永久变形。这些错位在晶格层中移动，在它们相互缠绕的过程中产生更多的错位。而这些运动最终导致了永久的塑性变形。
屈服点通常被认为是一种离散现象，即当材料超出其屈服点的时候，就会开始移动。然而，Xiaouye Ni的数据显示，在物质开始变形的过程中，物质的结构发生了不可逆转的变化，在达到其屈服点之前就已经存在了。
Greer说:“世界上每一位材料科学家和每一本教科书都会告诉你，当你变形任何物质的时候，无论是金属、木头、任何一种纺织品，任何东西——首先发生的是弹性形变，它会立即恢复。这是最基本的概念，几乎所有的机械和材料科学课程都是依它为基础的。”
为了探究材料在弯曲的过程中发生了什么变化，Xiaouye Ni制造了500纳米宽的铜柱(是人类头发的200倍厚)，用钻石触控笔压在材料表面。
这支笔施加比铜的屈服点还小的固定压力，然后轻微地振荡。
她发现，在经受了这些振荡之后，这些铜柱缓慢地恢复到原来的形状，便未发生变形。
XiaouyeNi说:“如果这种变形是纯弹性的，那就不会发生，因为它会立即恢复。”
这一迟缓的反应表明，这些铜柱产生了内部阻力，这是非弹性变形的标志。
Greer说:“XiaouyeNi的数据显示，从第一次开始变形的时候，位错开始增多，既然我们知道怎么做，我们就可以探测各种不同种类的材料。”
Xiaouye Ni说，这一发现可以被应用到许多研究领域。你可以利用这一方法观察到，你距离位错变形有多接近。此外，对于高精度的实验，如先进的激光干涉引力波天文台(LIGO)——在2016年第一次探测到引力波——即使是纳米级的震动，也能产生噪音，我们要设法使其消除。
这项研究被刊登在4月14日发表的物理评论快报上，名为“通过动态机械分析对小型的面心立方晶体的微可塑性进行探测。”
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