鉅大LARGE | 點擊量：1618次 | 2021年12月21日
壽命2.8萬年? 全新納米金剛石電池到底有多厲害
前不久，美國初創(chuàng)公司NDB（Nano-DiamondBattery）宣布創(chuàng)造出了世界首個，能夠實現任何環(huán)境下運行，并且自充電可持續(xù)成千上萬年的納米金剛石核電池。
該技術將核廢料石墨中制備納米金剛石，利用反射性碳-14衰變時發(fā)出的電子來源源不斷的發(fā)電。其中納米金剛石充當了半導體和散熱片的角色，收集電荷并將其傳送出去。兩項概念驗證測試表明，電荷收集率可達創(chuàng)紀錄的40%。
手機電動車再也不用充電了……
這項技術過于逆天，以至于聽起來像是賈躍亭造電動汽車一樣的唬人概念。不過納米材料由于其微觀尺寸產生的表面效應、小尺寸效應和宏觀量子效應等，往往展示出許多大塊固體所沒有的新奇效應。
納米金剛石不但擁有金剛石塊材優(yōu)異的物化特性，還具備超高的機械性能、良好的生物相容性、獨特的半導體特性、量子光學特性等等，從而屢屢登上頭條，下面筆者就來盤點下近年來在Nature&Science上大放異彩的納米金剛石。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
硬度是天然金剛石兩倍的納米孿晶金剛石
2014年燕山大學的田永君院士團隊使用了洋蔥碳納米顆粒作為前驅體，在2300-2500℃和12-25GPa條件下直接合成平均孿生厚度為5nm的納米孿晶金剛石（nt-D），其維氏硬度高達200GPa！是天然Ia型鉆石的兩倍！而且空氣中的氧化溫度還比天然金剛石高200℃。
納米孿晶金剛石樣品和一騎絕塵的各項機械性能指標
根據Hall-Petch效應（屈服強度隨晶粒尺寸變小而增強），因此可以通過納米結構化如納米晶?；图{米孿生的微觀結構來提高金剛石的硬度。孿晶邊界比晶界具有更低的能量，在納米尺度上，孿晶邊界表現出的硬化作用與金屬的晶界相同，同時沿致密分布的孿晶邊界的位錯滑動還增強了斷裂韌性，從而解釋了納米孿晶金剛石的超高硬度原因。
韌性是合成金剛石五倍的復合納米孿晶金剛石
隨后田院士團隊對納米孿晶金剛石進行了更深入的研究，在去年發(fā)表的Nature文章中開發(fā)出了韌性高達26.6MPam1/2的納米孿晶層狀金剛石復合材料，其韌性是合成金剛石的五倍，甚至比鎂合金還高。
復合納米孿晶金剛石樣品和硬度/斷裂韌性對比圖
這種層狀金剛石復合材料由堆積順序不同的連貫界面金剛石多型體（coherentlyinterfaceddiamondpolytype）和交織的納米孿晶組成。
當發(fā)生斷裂時，裂紋通過之字形路徑沿{111}平面?zhèn)鞑ネㄟ^3C立方多形的金剛石納米孿晶。當裂紋遇到非3C型的區(qū)域時，裂紋的傳播會擴散成彎曲的裂縫，并在裂縫表面附近局部轉變?yōu)?C金剛石。這兩個過程都耗散了應變能，從而提高了韌性。
彈性應變金剛石，不再脆弱，能屈能伸
今年初，來自香港城市大學和哈爾濱工業(yè)大學的研究人員實現了金剛石最高達到9%的均勻彈性應變，而且[101]方向在達到9%應變時帶隙降低到3.09eV。這種通過對材料施加較大晶格應變，從而改變能帶結構及其相關光電特性的應變工程有代替金剛石難度極大的半導體摻雜，從而對微電子、量子信息等領域產生重要影響。
使用夾具拉伸金剛石微橋。圖片來自香港城市大學。
研究人員使用聚焦離子束將單晶金剛石微加工為長約1微米，寬約100納米的單晶金剛石微橋結構，隨后用夾具進行拉伸，有限元分析發(fā)現單橋結構在夾持部位出現最大局部拉伸應變，三橋結構夾持部位局部拉伸應變最小。DFT計算結果表明，隨著拉伸應變的增加，金剛石在每個方向的帶隙均會減小，其中[101]方向的帶隙減小率最大，在9％應變下下降至3.09eV，變成了直接帶隙半導體。
其中通訊作者之一，港城大的陸洋副教授，曾在2018年的Science中發(fā)表了金剛石納米針（~300nm）約9%彈性拉伸形變的發(fā)現，相應的最大拉伸應力達到~89-98GPa，接近理論彈性極限。
真正的大丈夫，剛正不阿，能屈能伸！
被壓頭碰彎的金剛石納米針
納米金剛石用于超敏傳感則是用到了內部所含的氮-空位缺陷，即NV色心。其中帶負電荷的NV色心不同的電子自旋量子態(tài)可發(fā)出不同亮度的熒光（637nm），而其電子自旋態(tài)極易受周圍微弱的磁熱力電場所影響，并通過熒光變化展現出來。通過激光與微波調控自旋態(tài)，即可方便的利用NV色心的熒光變化進行超敏傳感。
NV色心結構、電子能級結構以及兩種自旋狀態(tài)下的熒光光譜
超靈敏生物傳感，試紙檢測HIV病毒
去年倫敦大學的研究團隊用納米金剛石中NV色心的超靈敏熒光標記功能開發(fā)了一種超敏感體外診斷試紙，達到了生物素-親和素模型的8.2×10-19mol的超低檢測限，比使用納米金顆粒獲得的檢測限高105倍。
LFA層析試紙上結合抗體的熒光納米金剛石
研究人員通過一系列表面處理給納米金剛石上修飾了抗體，通過對底物上結合的納米金剛石的熒光檢測來進行超敏感診斷。應用計算鎖定（lock-in）算法來有選擇地提取參考頻率的信號?？蓪⒅芷谛缘腇ND熒光與非周期性的背景熒光分開，從而提高了信噪比。
通過添加10分鐘的等溫擴增步驟，超敏熒光納米金剛石還可以實現HIV-1RNA的單拷貝檢測，并能使用臨床血漿樣本進一步證明。這種超靈敏的量子診斷平臺適用于多種診斷測試形式和疾病，并有可能改變疾病的早期診斷，造福患者和人群。
（a）&（c）熒光納米金剛石（FNDs）的表面修飾與目標底物特異性結合，（b）結合lock-in算法的納米金剛石與納米金顆粒的信噪比對比
納米尺度超微磁場探測，探測單個核自旋不是夢
在10nm距離處，單個電子的自旋產生大約1mT的磁場，而單個質子的相應磁場是幾個納特斯拉。能夠以納米空間分辨率檢測此類磁場的傳感器將實現強大的應用，比如檢測來自復雜生物分子中單個電子或核自旋的磁共振信號或經典或編碼到電子/核自旋中量子比特信息的讀出。
傳統(tǒng)靈敏的固態(tài)磁力計通常使用超導量子干涉或霍爾效應等現象來實現，在2008年，哈佛大學的研究人員實現了利用納米金剛石中NV色心進行納米尺度下超微磁場的探測。在室溫下通過對NV色心中單個電子的自旋量子位進行相干操作，在平均100秒后實現了在千赫茲頻率下對3nT磁場的檢測，同時還證明了直徑為30nm的金剛石納米晶體的靈敏度為0.5μTHz-1/2。
磁力計靈敏度和最小可測量交流磁場的表征；用納米金剛石中的單個NV色心的電子自旋演示磁傳感。
寫在最后
金剛石作為一種稀缺的極限材料，在力學、熱學、光學、電子學、量子信息等應用領域的優(yōu)異表現是革命性碾壓般的存在，極具研究價值，而納米金剛石則在低維領域開拓出了屬于自己的疆土。現階段我們對納米金剛石的應用還停留在概念實驗階段，解決納米金剛石的高純制備以及科研成果轉化實際生產問題，這一神奇的材料將大力推動人類社會的科技進步。材料人
