新型纳米传感器可用于分析高压力对材料的影响
2020-01-18 21:11:30   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，美国研究人员开发出新的纳米技术，对施加了高压力的材料进行成像和测量，以获得更多的应力和应变信息。

正如研究人员在《科学》（Science）杂志上报道的那样，这很重要，因为“压力改变了物质的物理、化学和电学特性。”

论文共同作者、爱荷华州立大学（Iowa State University）工程系Anson Marston杰出教授、航空航天工程系Vance Coffman学院首席教授Valery Levitas指出，理解这些变化将有助于在各种技术和应用中使用新的材料或物质的新相态。

专注于研究高压力科学的实验测试和计算模型的Levitas实验室表示，新的传感技术将推动化学、力学、地质学和行星科学领域的高压力研究。

在刚发表于《科学》期刊上的论文《使用纳米级量子传感器在高压力下测量成像应力和磁力》中，研究人员对该技术的研发和演示进行了描述。论文主要作者是加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的物理学助理教授Norman Yao，爱荷华州立大学航空航天工程系的博士生Mehdi Kamrani也是共同作者之一。

从左到右依次为Krishan Kumar Pandey、Valery Levitas和Mehdi Kamrani，在爱荷华州立大学Levitas的实验室中研究高压力下的材料变化

论文描述了研究人员如何将一系列纳米传感器（他们称之为氮空位色心）安装在钻石上，以对微小的材料样本施加高压力。通常，那些用两颗钻石之间的挤压材料进行的“钻石砧”实验能够帮助研究人员测量压力和体积的变化。

高压力钻石砧实验

新系统使研究人员得以成像、测量和计算6种不同的应力，针对高压力对材料的影响，可以进行更全面、更实际的测量。新的测试还将帮助研究人员测量材料磁性的变化。

Levitas表示，“这一直是高压力科学中的关键问题之一。我们需要测量钻石和样品上的所有6种应力，但是很难在高压力下实现所有数值的测量。”

Levitas的实验室进行了独特的实验，将材料置于高压力下，然后将其扭曲，从而使研究人员能够显著降低相变压力并寻找可能具有技术应用价值的新相态。

该实验室还对高压力钻石砧实验进行了多尺度计算机建模，Levitas表示这是世界上唯一进行此类模拟的实验室。他补充道，在高压力模拟方面的专业知识是他被邀请与Yao实验室传感器项目合作的原因。通过仿真可以重建整个钻石砧中所有6种应力场（此前无法被测量），并验证实验结果。Levitas计划在他的实验室中使用这款传感器。

研究人员在论文中总结道，该传感器能够“在高压力科学中实现两个互补目标，了解材料在压力下的强度和失效情况（如脆性-韧性转变），并发现和表征物质的奇异相变（如压力稳定的高温超导体）。”

本文所述的氮空位传感技术也已被用于测量其他材料性能，如电和热特性。研究人员写道，“现在可以直接将其扩展到高压力环境，从而在极端条件下开启用于定量表征材料的大范围实验。”

Levitas也是《科学》期刊上最近发表的另一篇论文的共同作者。题目名为《增材制造耐疲劳高性能弹性体材料》（论文链接：https://DOI: 10.1126/science.aax7616）的论文描述了使用3D打印技术来创建镍钛冷却材料，能量损耗低，性能稳定，可重复使用100万次以上。该研究由马里兰大学（University of Maryland）Ichiro Takeuchi主导。共同作者包括来自爱荷华州立大学Ames实验室材料科学和工程系的助理教授Jun Cui；材料科学和工程系的兼职教授，实验室部门主任Matthew Kramer；实验室博士后研究员Tao Ma；实验室科学家Ryan Ott；实验室助理科学家Emrah Simsek和Lin Zhou。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aaw4352