Diamant staat bekend als de sterkste van alle natuurlijke materialen, en met die kracht komt nog een ander nauw verbonden eigenschap:broosheid. Maar nu, een internationaal team van onderzoekers van MIT, Hongkong, Singapore, en Korea heeft ontdekt dat wanneer gekweekt in extreem kleine, naaldachtige vormen, diamant kan buigen en uitrekken, net als rubber, en spring terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

De verrassende bevinding wordt deze week gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap , in een paper van senior auteur Ming Dao, een hoofdonderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering van MIT; MIT-postdoc Daniel Bernoulli; senior auteur Subra Suresh, voormalig MIT-decaan van engineering en nu president van de Nanyang Technological University in Singapore; afgestudeerde studenten Amit Banerjee en Hongti Zhang aan de City University of Hong Kong; en zeven anderen van CUHK en instellingen in Ulsan, Zuid-Korea.

De resultaten, zeggen de onderzoekers, zou de deur kunnen openen naar een verscheidenheid aan op diamanten gebaseerde apparaten voor toepassingen zoals detectie, gegevens opslag, bediening, biocompatibele in vivo beeldvorming, opto-elektronica, en medicijnafgifte. Bijvoorbeeld, diamant is onderzocht als een mogelijke biocompatibele drager voor het afleveren van medicijnen in kankercellen.

Het team toonde aan dat de smalle diamantnaalden, qua vorm vergelijkbaar met de rubberen uiteinden aan het uiteinde van sommige tandenborstels, maar slechts een paar honderd nanometer (miljardste van een meter) breed, kon tot 9 procent buigen en uitrekken zonder te breken, keer dan terug naar hun oorspronkelijke configuratie, zegt Dao.

Gewone diamant in bulkvorm, Bernoulli zegt, heeft een limiet van ruim onder de 1 procent rek. "Het was zeer verrassend om de hoeveelheid elastische vervorming te zien die de diamant op nanoschaal kon verdragen, " hij zegt.

"We hebben een unieke nanomechanische benadering ontwikkeld om de ultragrote elastische spanning die in de nanodiamantmonsters wordt verdeeld, nauwkeurig te controleren en te kwantificeren, " zegt Yang Lu, senior co-auteur en universitair hoofddocent mechanische en biomedische technologie aan de CUHK. Kristallijne materialen zoals diamant onder ultragrote elastische spanningen plaatsen, zoals gebeurt wanneer deze stukken buigen, kunnen zowel hun mechanische eigenschappen als thermische, optisch, magnetisch, elektrisch, elektronisch, en chemische reactie-eigenschappen op significante manieren, en kan worden gebruikt om materialen voor specifieke toepassingen te ontwerpen door middel van "elastische spanningstechniek, "zegt de ploeg.

Het team heeft de buiging van de diamantnaalden gemeten, die werden gekweekt door middel van een chemisch dampafzettingsproces en vervolgens geëtst tot hun uiteindelijke vorm, door ze te observeren in een scanning-elektronenmicroscoop terwijl u op de naalden drukt met een standaard nano-indenter-diamantpunt (in wezen de hoek van een kubus). Na de experimentele tests met dit systeem, het team deed veel gedetailleerde simulaties om de resultaten te interpreteren en was in staat om precies te bepalen hoeveel stress en spanning de diamantnaalden konden opvangen zonder te breken.

De onderzoekers ontwikkelden ook een computermodel van de niet-lineaire elastische vervorming voor de werkelijke geometrie van de diamantnaald, en ontdekte dat de maximale trekspanning van de diamant op nanoschaal zo hoog was als 9 procent. Het computermodel voorspelde ook dat de corresponderende maximale lokale spanning dicht bij de bekende ideale treksterkte van diamant lag, d.w.z. de theoretische limiet die kan worden bereikt door een defectvrije diamant.

Toen de hele diamanten naald uit één kristal was gemaakt, falen trad op bij een trekspanning zo hoog als 9 procent. Tot dit kritieke niveau werd bereikt, de vervorming zou volledig kunnen worden teruggedraaid als de sonde uit de naald werd teruggetrokken en het monster werd gelost. Als de kleine naald was gemaakt van veel diamanten korrels, het team toonde aan dat ze nog steeds ongewoon grote soorten konden bereiken. Echter, de maximale spanning die door de naald van polykristallijne diamant werd bereikt, was minder dan de helft van die van de naald van enkel kristallijn diamant.