?近日，廈門大學(xué)張志森副教授和吳建洋教授團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)合作深入研究了一種新型的五重孿晶金剛石納米線的力學(xué)與熱輸運(yùn)性質(zhì)，并揭示了力學(xué)與熱導(dǎo)率異常提高的機(jī)制。相關(guān)研究工作分別以Simultaneous stiffening and strengthening of nanodiamond by fivefold twins及Abnormally High Thermal Conductivity in Fivefold Twinned Diamond Nanowires為題發(fā)表在國際知名期刊?MRS Bulletin?和?Materials Today Physics?上。論文第一作者分別為廈門大學(xué)的張志森副教授及香港中文大學(xué)的梁挺博士，通訊作者為香港中文大學(xué)許建斌教授和廈門大學(xué)物理系吳建洋教授。

背景介紹

五重孿晶的歷史已有近200年。大量研究表明五重孿晶引起的晶格畸變會(huì)顯著提高納米材料的機(jī)械性能，但卻會(huì)嚴(yán)重阻礙其熱輸運(yùn)性能。張志森副教授和吳建洋教授團(tuán)隊(duì)的工作，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了一種新型的五重孿晶金剛石納米線(5FTNDs),并揭示了其微納米力學(xué)及熱導(dǎo)率異常提高的機(jī)制。結(jié)果表明，在微納米力學(xué)方面，5FTNDs的機(jī)械性能在很大程度上受其橫截面幾何形狀的影響：具有星形截面的5FTNDs表現(xiàn)出優(yōu)于金剛石固有強(qiáng)度的拉伸楊氏模量和強(qiáng)度；而正五邊形的5FTNDs的拉伸楊氏模量和強(qiáng)度比金剛石固有強(qiáng)度有顯著差異。同時(shí)，隨著徑向尺寸的縮小，星形5FTNDs的拉伸楊氏模量和強(qiáng)度呈非線性增強(qiáng)的趨勢(shì)，但對(duì)于正五邊形的5FTNDs來說則完全相反。在熱導(dǎo)率方面，金剛石納米線的熱導(dǎo)率可以被引入的五重孿晶邊界缺陷有效增強(qiáng)，并隨著橫截面積非單調(diào)變化。在臨界面積大于7.1nm2時(shí)，5FTNDs表現(xiàn)出恒定的熱導(dǎo)率值；而在臨界值以下，隨著橫截面積的減小，熱導(dǎo)率急劇增加。更重要的是，在橫截面積非常小時(shí)，5FTNDs的熱導(dǎo)率大于塊體金剛石。作者通過計(jì)算聲子平均自由程、群速度、聲子色散和三聲子散射率（涉及Normal和Umklapp過程）闡明了異常熱導(dǎo)率的機(jī)制。特別要說的是，在最小橫截面積處，Normal過程主導(dǎo)的聲子流體動(dòng)力學(xué)行為導(dǎo)致了熱導(dǎo)率異常增加。在5FTNDs中揭示的微納米力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)制，及超輸運(yùn)聲子流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象可以為追求高力學(xué)性能及高導(dǎo)熱納米材料提供更廣闊的空間。

圖1. 五角星型及正五邊形5FTNDs結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 五角星型及正五邊形5FTNDs應(yīng)力應(yīng)變曲線a)及b)，以及楊氏模量c)及d)隨其徑向尺寸的變化趨勢(shì)

圖3. 兩種金剛石納米線的熱導(dǎo)率與橫截面積的變化，表明熱導(dǎo)率在小截面時(shí)存在流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)

結(jié)論推廣

這些研究對(duì)探索超高強(qiáng)度的材料，及金剛石納米線結(jié)構(gòu)的熱輸運(yùn)提供了新的認(rèn)識(shí)，并使得納米材料超高熱導(dǎo)率的聲子流體動(dòng)力學(xué)行為成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)表明五重孿晶結(jié)構(gòu)可以為納米材料提供優(yōu)異的機(jī)械和熱性能。作者認(rèn)為聲子流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象在具有最小截面的納米線中普遍存在，并有可能引起工程熱物理學(xué)甚至其他納米領(lǐng)域的廣泛興趣。

來源：廈大物理