上海交大研究团队发现纳米材料全新力学现象[图]

近日，上海交通大学生物医学工程学院邵志峰教授和Czajkowsky教授共同指导博士生杨柳等人组成的研究团队发现纳米材料全新力学现象，该研究成果以“Anomalous Surface Fatigue in a Nano-Layered Material”为题全文发表在材料学领域国际权威学术期刊《Advanced Materials》（SCI IF=15.4）上。

固体材料经历外力的反复作用而产生突然断裂或力学损伤被称为材料疲劳。它在材料学领域是一个普遍现象，也是机械工程教科书上的经典概念。材料疲劳是决定设备寿命的重要因素之一。日常生活中，人们都会有多次折叠，如曲别针，而最终导致其折断的经验。材料疲劳也会导致包括桥梁的突然倒塌、航行中的飞机突然解体等重大事故。

在日常所能感知的尺度范围（称为宏观尺度），人们通常称材料疲劳是不可避免的现象。但是我们知道当尺度缩小到纳米（十亿分之一米）时，很多物理过程将较之宏观尺度完全不同。而纳米尺度上的材料疲劳是否存在以及其特性是否与宏观相同鲜有研究。邵志峰、Czajkowsky团队发现在纳米尺度的材料疲劳特性与已知宏观尺度的表现有很大不同。研究发现在一定作用力范围内，纳米尺度材料表面损伤与宏观尺度相同，也存在可以使表面立即损伤的屈服力。但是与之前任何观察结果不同的是，在高于屈服力的作用力下表面却完全没有损伤。就如在一定的力下可以将玻璃敲碎，但是当用更大的力去敲击时，玻璃反而完好无损。这在我们日常生活中是不会经历到的，仅仅发生在纳米尺度。同时，研究团队还发现，在纳米尺度疲劳现象造成的损伤也仅仅是厚度为几层原子，范围如此之小的损伤也是在宏观尺度从未观测到的。

该研究表明纳米尺度材料的力学性质或现象可能与我们日常生活中所能感知和预期的完全不同。由于目前的相关理论均是基于宏观体系，因此还没有现存的理论可以完全适用于解释该现象，因此研究结果将有可能进一步引导产生适用于纳米尺度的新理论。同时在实际应用领域，由于材料疲劳是影响设备（如飞机等重要机电设备）寿命的主要因素，因此该发现为构建永久无损机电设备（至少是纳米设备）提供了可能性。毫无疑问，这样的微纳米机电装置将会具有极其广泛而重要的应用，如手机、硬盘以及微型能量采集装置的传感与致动器等。

该项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、上海市浦江人才计划和王宽诚教育基金会的支持。

发表文章链接： http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201401906/full