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Cómo doblar y estirar un diamante

El material quebradizo puede volverse flexible cuando se convierte en agujas ultrafinas, según los investigadores.

El diamante es conocido como el más fuerte de todos los materiales naturales, y con esa fuerza viene otra propiedad estrechamente vinculada: la fragilidad. Pero ahora, un equipo internacional de investigadores del MIT, Hong Kong, Singapur y Corea ha descubierto que cuando se cultiva en formas extremadamente pequeñas, como agujas, el diamante puede doblarse y estirarse, como el caucho, y volver a su forma original.


El sorprendente hallazgo se informa esta semana en la revista Science , en un artículo del autor principal Ming Dao, científico investigador principal del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; El postdoctorado del MIT Daniel Bernoulli; la autora principal Subra Suresh, ex decana de ingeniería del MIT y ahora presidenta de la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur; los estudiantes de posgrado Amit Banerjee y Hongti Zhang de la City University of Hong Kong; y otros siete de CUHK e instituciones en Ulsan, Corea del Sur.


Experimento (izquierda) y simulación (derecha) de una nanoaguja de diamante doblada por la superficie lateral de una punta de diamante, que muestra una deformación elástica ultragrande y reversible.

Los resultados, dicen los investigadores, podrían abrir la puerta a una variedad de dispositivos basados ​​en diamantes para aplicaciones tales como detección, almacenamiento de datos, actuación, imágenes biocompatibles in vivo, optoelectrónica y administración de fármacos. Por ejemplo, se ha explorado el diamante como un posible vehículo biocompatible para administrar fármacos a las células cancerosas.


El equipo demostró que las agujas de diamante estrechas, de forma similar a las puntas de goma en el extremo de algunos cepillos de dientes pero de solo unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho, podían flexionarse y estirarse hasta en un 9 por ciento sin romperse, luego volver a su configuración original, dice Dao.

El diamante ordinario a granel, dice Bernoulli, tiene un límite de estiramiento muy por debajo del 1 por ciento. "Fue muy sorprendente ver la cantidad de deformación elástica que podía soportar el diamante a nanoescala", dice.


“Desarrollamos un enfoque nanomecánico único para controlar y cuantificar con precisión la deformación elástica ultragrande distribuida en las muestras de nanodiamantes”, dice Yang Lu, coautor principal y profesor asociado de ingeniería mecánica y biomédica en CUHK. Poner materiales cristalinos como el diamante bajo tensiones elásticas ultra grandes, como sucede cuando estas piezas se flexionan, puede cambiar sus propiedades mecánicas, así como las propiedades de reacción térmica, óptica, magnética, eléctrica, electrónica y química de manera significativa, y podría usarse para diseñar materiales para aplicaciones específicas a través de "ingeniería de deformación elástica", dice el equipo.

Experimento (izquierda) y simulación (derecha) de una nanoaguja de diamante doblada para fracturarse por la superficie lateral de una punta de diamante, mostrando una deformación elástica ultra grande (alrededor del 9 por ciento de tensión de tracción máxima).


El equipo midió la flexión de las agujas de diamante, que se cultivaron mediante un proceso de deposición de vapor químico y luego se grabaron hasta su forma final, observándolas en un microscopio electrónico de barrido mientras presionaban las agujas con una punta de diamante nanoindenter estándar (esencialmente la esquina de un cubo). Después de las pruebas experimentales que utilizaron este sistema, el equipo realizó muchas simulaciones detalladas para interpretar los resultados y pudo determinar con precisión cuánta tensión y tensión podían soportar las agujas de diamante sin romperse.


Los investigadores también desarrollaron un modelo informático de la deformación elástica no lineal para la geometría real de la aguja de diamante, y encontraron que la tensión de tracción máxima del diamante a nanoescala era tan alta como el 9 por ciento. El modelo informático también predijo que la tensión local máxima correspondiente estaba cerca de la resistencia a la tracción ideal conocida del diamante, es decir, el límite teórico que puede alcanzar un diamante sin defectos.

Cuando toda la aguja de diamante estaba hecha de un cristal, se produjo una falla a una tensión de tracción de hasta el 9 por ciento. Hasta que se alcance este nivel crítico, la deformación podría revertirse por completo si la sonda se retira de la aguja y se descarga la muestra. Si la pequeña aguja estaba hecha de muchos granos de diamante, el equipo demostró que aún podían lograr deformaciones inusualmente grandes. Sin embargo, la tensión máxima alcanzada por la aguja de diamante policristalino fue menos de la mitad que la de la aguja de diamante monocristalino.


Yonggang Huang, profesor de ingeniería civil y ambiental e ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern, que no participó en esta investigación, está de acuerdo con la evaluación de los investigadores sobre el impacto potencial de este trabajo. “El hallazgo sorprendente de una deformación elástica ultragrande en un material duro y frágil, el diamante, abre posibilidades sin precedentes para ajustar sus propiedades ópticas, optomecánicas, magnéticas, fonónicas y catalíticas a través de la ingeniería de deformación elástica”, dice.


Huang añade: “Cuando las deformaciones elásticas superan el 1 por ciento, se esperan cambios significativos en las propiedades del material mediante cálculos de mecánica cuántica. Con tensiones elásticas controladas entre el 0 y el 9 por ciento en el diamante, esperamos ver algunos cambios sorprendentes en las propiedades ".

El equipo también incluyó a Muk-Fung Yuen, Jiabin Liu, Jian Lu, Wenjun Zhang y Yang Lu en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong; y Jichen Dong y Feng Ding en el Instituto de Ciencias Básicas, en Corea del Sur. El trabajo fue financiado por el Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, la Alianza de Investigación y Tecnología de Singapur-MIT (SMART), la Universidad Tecnológica de Nanyang de Singapur y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

Fuente: news


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