培育完美鉆石：模擬揭示有趣的幾何圖案
摘要：科學(xué)家們模擬了金剛石薄膜的生長(zhǎng)，揭示了幾何特性，并對(duì)如何在實(shí)驗(yàn)室中更有效地生長(zhǎng)這些薄膜有了深刻的認(rèn)識(shí)。在當(dāng)今社會(huì)，“鉆石”一詞會(huì)讓人聯(lián)想到一系列關(guān)于力量、財(cái)富和地位的畫面。但剝?nèi)ミ@些，材料的科學(xué)用途就.
科學(xué)家們模擬了金剛石薄膜的生長(zhǎng)，揭示了幾何特性，并對(duì)如何在實(shí)驗(yàn)室中更有效地生長(zhǎng)這些薄膜有了深刻的認(rèn)識(shí)。
在當(dāng)今社會(huì)，“鉆石”一詞會(huì)讓人聯(lián)想到一系列關(guān)于力量、財(cái)富和地位的畫面。但剝?nèi)ミ@些，材料的科學(xué)用途就顯露出來了。鉆石是透明的，非常堅(jiān)硬，不會(huì)對(duì)活體組織構(gòu)成任何危險(xiǎn)。最近，研究人員已經(jīng)開始在實(shí)驗(yàn)室里培育超薄多晶金剛石薄膜。這些薄膜具有許多鉆石寶石的特性，可以在生物醫(yī)學(xué)和傳感器方面有許多應(yīng)用。此外，由于它們是由碳制成的，因此不需要任何昂貴或難以獲得的材料。
來自沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院 (OIST) 力學(xué)和材料部門的工作科學(xué)家 Stoffel Janssens 博士模擬了多孔和封閉多晶金剛石薄膜的生長(zhǎng)。多孔金剛石薄膜（那些在整個(gè)薄膜上散布著孔的薄膜）有朝一日可以用作生長(zhǎng)神經(jīng)元和其他細(xì)胞的平臺(tái)。模擬取得了成功，揭示了薄膜中有趣的幾何結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果發(fā)表在Acta Materialia 上。
Janssens 博士解釋說：“這些模擬讓我們對(duì)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中可能做的事情有了一個(gè)有希望的前景。” “多孔薄膜目前需要復(fù)雜的技術(shù)來制造。我們希望能夠以一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的方式來制造它們。模擬闡明了我們應(yīng)該使薄膜生長(zhǎng)多長(zhǎng)時(shí)間、顆粒應(yīng)該有多大以及我們可以從結(jié)果中期待什么。”
為了生長(zhǎng)多晶金剛石薄膜，納米金剛石顆粒被播種在襯底上。在合適的條件下，這些晶粒將生長(zhǎng)成柱狀金剛石晶體，然后擴(kuò)展并相互連接。隨著時(shí)間的推移，這些連接加強(qiáng)，形成了堅(jiān)固的材料。二維模擬使 Janssens 博士和他的合作者能夠觀察到改變顆粒大小和初始粒徑分布的詳細(xì)結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，隨著金剛石薄膜的生長(zhǎng)，晶粒之間的晶界形成了一個(gè)眾所周知的圖。
“它被稱為 Voronoi 圖，”Janssens 博士解釋說。“許多不同科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究人員都知道——從模擬細(xì)胞和骨骼結(jié)構(gòu)的生物學(xué)家到尋找感染源的流行病學(xué)家，再到研究森林樹冠生長(zhǎng)模式的生態(tài)學(xué)家。”
Voronoi 圖的示例
當(dāng)研究人員改變晶粒密度時(shí)，圖表出現(xiàn)了不同的變化。模擬結(jié)果表明，顆粒的初始密度高會(huì)產(chǎn)生類似于蜂窩狀圖案的圖表，其中孔隙均勻分布在薄膜上，而較低的顆粒初始密度會(huì)導(dǎo)致孔隙分布不均勻。
Janssens 博士還研究了薄膜生長(zhǎng)過程中不同階段發(fā)生的拓?fù)滢D(zhuǎn)變。第一個(gè)顯著的轉(zhuǎn)變發(fā)生在所有顆粒連接時(shí)，形成多孔膜。第二個(gè)顯著的轉(zhuǎn)變發(fā)生在晶粒緊密連接時(shí)，形成了一個(gè)沒有任何針孔的封閉膜。在模擬的基礎(chǔ)上，研究人員調(diào)查了針孔的存活率，并探索了將針孔出現(xiàn)在最終封閉薄膜中的可能性降到最低的策略。
“多晶金剛石薄膜的模擬有助于連續(xù)滲透理論領(lǐng)域的研究，”O(jiān)IST力學(xué)與材料單元的首席研究員 Eliot Fried 教授解釋說?！俺颂峁┝擞兄谠趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境中高效生長(zhǎng)這些薄膜的實(shí)際見解外，這項(xiàng)研究還增強(qiáng)了我們對(duì)金剛石和其他各種材料的多晶薄膜生長(zhǎng)相關(guān)的潛在拓?fù)浜蛶缀螁栴}的理解?！蔽覀兤诖鴮⑽覀兊陌l(fā)現(xiàn)應(yīng)用于薄膜的開發(fā)，這些薄膜可用于生物醫(yī)學(xué)科學(xué)、量子器件和其他應(yīng)用?！?/span>
