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2014年5月杂志俱乐部主题:原位纳米力学
的原位纳米力学是将电子显微镜内的实时力学测试与原子分辨率的力学建模相结合，研究纳米尺度和纳米结构材料的力学性能和变形机制的新兴领域。它提供了一种强大的方法来“可视化”材料内在的纳米力学行为——眼见为实。
一场工程革命正在进行，小的结构和设备正在微米到纳米尺度上制造。了解材料在小长度尺度上的机械性能是成功设计和制造可靠的微/纳米器件的核心，应用于微电子、可再生能源、生物技术和许多其他领域。
虽然在最近的文献中有大量的原位纳米力学研究和评论(在许多优秀的文献中只引用了一些[1-13])，但在这里我将讨论来自我在佐治亚理工学院的团队以及其他大学/国家实验室的合作者。这些研究揭示了二维材料和纳米结构工程/能源材料中各种迷人的纳米力学现象和特性。
-石墨烯断裂韧性的原位扫描电镜研究
原位纳米力学研究旨在定量测量材料的纳米力学性能。例如，石墨烯等二维材料具有优异的机械性能。然而，石墨烯的断裂韧性至今尚未被测量。在这个与教授的合作研究中。小君卢在莱斯大学，使用扫描电镜中的纳米机械装置进行了悬浮石墨烯的原位拉伸测试。在拉伸加载过程中，预裂的石墨烯试样以脆性方式断裂，边缘锋利，断裂应力大大低于石墨烯的固有强度。实验与模型相结合验证了经典Griffith脆性断裂理论对石墨烯的适用性。直接测量了石墨烯的断裂韧性。这项原位纳米力学研究量化了石墨烯的基本断裂特性，并为石墨烯的机械失效提供了机理上的见解。
图1从(a-b)原位SEM和(c-d)分子动力学研究中，预裂石墨烯断裂。
-原位透射电子显微镜(TEM)研究硅电极的锂化机理
原位纳米力学研究可以很好地解决力学起重要作用的多物理场问题。锂离子电池(LIBs)革新了便携式电子产品，是汽车电气化的关键。锂离子电池中锂与电极之间的电化学反应是控制其容量、可循环性和可靠性的关键过程。尽管对lib进行了深入的研究，但固体电极中电化学反应的原子水平机制仍然难以捉摸。在与Dr。Jianyu黄在桑迪亚大学和教授。斯科特毛在匹兹堡大学，利用原位高分辨率透射电镜揭示了单晶硅动态锂化的原子分辨过程。在晶体Si反应物和非晶LixSi产物之间观察到约1 nm厚的锐界面。发现了原子边缘流动过程，通过在Si表面上的{111}原子面逐层剥落产生非晶态LixSi合金，导致界面的取向依赖迁移率。这项原位纳米力学研究为理解锂离子电池高容量电极的锂化诱导应力产生和失效提供了至关重要的见解。
图2单根硅纳米线的原位锂化，显示了锂化前(a)和锂化进行时(b)的TEM图像。(c)锂化反应前沿原子结构的高分辨率TEM图像和(d)相应的原子模拟。
综上所述，通过原位扫描电镜和透射电镜进行纳米力学研究是表征材料在纳米和原子尺度上力学行为的最直接方法。还有其他强大的原位测试技术，如原位同步加速器和原位断层扫描，在这篇简短的文章中没有涉及。上述研究还表明，纳米力学建模可以为原位纳米力学测试提供重要的见解甚至指导。毫无疑问，实验人员和建模人员之间的密切合作对于推进原位纳米力学领域的未来发展至关重要。最终，原位纳米力学研究将使纳米结构材料的设计充分发挥其潜在的机械强度。
参考文献
[1]刘建军，刘建军，刘建军，等。晶体塑性与强度的关系研究。科学[j] .中国科学院学报(自然科学版)。
[2]王晓明，王晓明，王晓明，等。纳米尺度薄膜的形变机理研究。美国国家科学院院刊[10](2004)。
[3]朱艳，王晓东，王晓东，等。一种原位电子显微镜下的机电材料检测系统及其应用。美国国家科学院院刊[j] .科学通报，2005(5)。
[4]李春华，魏晓东，李晓东，王晓明，等。单层石墨烯的弹性性能和本征强度的测量。科学[21] [j]。
[5]单志伟，米什拉，R. K.， Asif, s.a.s S, Warren, O. L.和Minor, A. M.亚微米直径Ni晶体的机械退火和源限制变形。自然材料7, 115-119(2008)。
[6]黄建英，等。单根SnO2纳米线电极电化学锂化的原位观察。科学33, 1515-1520(2010)。
[7]卢勇，宋军，黄建勇，娄军。亚20nm超薄金纳米线断裂。高级功能材料21, 3982-3989(2011)。
[8]张德昌，李晓燕，高洪军，葛瑞杰。纳米孪晶金属纳米柱的变形机理。自然纳米技术[j]， 2012。
[9]李建军，李建军，李建军，等。纳米尺度的应力辅助磨损机理研究。自然纳米技术8, 108-112(2013)。
[10]张志强，张志强。纳米材料:力学和机制．(施普林格,2009)。
[11]刘建军，刘建军，刘建军，等。电子显微镜原位定量力学测试。夫人公告35, 354-360(2010)。
[12]朱涛，李俊。超强度材料的研究进展。材料科学进展55, 710-757(2010)。
[13]李建军，李建军，李建军，等。微观微观材料的塑性研究进展。材料科学进展56, 654-724(2011)。
评论
石墨烯的固有断裂韧性
停:
谢谢你的开创性工作!我有一些
需要你进行宝贵讨论的问题:
1)实测断裂韧性远小于I
预料之中(如此脆弱)。我知道你尖端的锋利程度。如果一个裂纹尖端不是
从数学上讲，我们不能得到一个恒定断裂韧性的材料。可以
你能告诉我你的裂纹(或缺口)尖端的半径吗?FIB可能做不到
尖锐的裂纹尖端。
2)断裂韧性的平面应变条件
测量。这里的应力状态是平面应力或测量值
会高于固有断裂韧性。
3)在图3中，你的应力-应变曲线不是很线性
两条曲线有不同的斜率，这意味着系统的顺应性是
每次都不一样。其他三条曲线呢?当然，你用的是最大值
用于断裂韧性测量的应力值。然而,可重复的
实验也很重要。
罗伊
Re:石墨烯的固有断裂韧性
罗伊,
谢谢你对我们的工作感兴趣。
预裂石墨烯的断裂可以用线弹性断裂力学很好地表征。因此，裂纹尖端钝化对断裂韧性的影响应该很小。通过原子模拟研究了本文图4f中的钝化效应。
石墨烯的原子薄层处于明显的平面应力状态。石墨烯的断裂韧性测量值代表其平面应力值。在线弹性断裂力学中，平面应变与平面应力变形对断裂韧性的影响可以通过有效弹性模量来表征。
我们一直在努力提高原子薄石墨烯原位纳米力学测试的定量准确性。目前，虽然应力-应变曲线仍有一些变化，但测量的断裂应力总体上是一致的，可重复的。
停
石墨烯的断裂韧性
亲爱的停:
谢谢你有趣的主题!我很高兴看到你最近关于石墨烯断裂韧性的研究，显示了线弹性断裂力学的鲁棒性，一直到原子层。我可以想象这些实验是多么具有挑战性。尽管数据有限，但有强有力的证据表明石墨烯在室温下易碎。得到的韧性值(~16 J/m^2)比典型的脆性断裂值(~4 J/m^2)大得多，但与石墨烯的边缘能一致。如果你能与预测的石墨烯边缘能(见表1)进行比较，我会更高兴:石墨烯纳米带自由边缘的多余能量和变形;物理学报，21(5)，2010。DFT和MD计算预测的边缘能量约为10-15 eV/nm，而你得到的值约为17 eV/nm。考虑到具有挑战性的测量，在我看来相当不错!
最好的问候,
RH
Re:石墨烯断裂韧性
亲爱的瑞,
谢谢你的评论。你的论文写得很好。实际上，Gc的MD预测值比实验测量值低30%左右。本文讨论了裂纹钝化、裂纹取向、多晶微观结构、缺陷、晶格俘获等可能造成这种差异的因素。未来需要更系统的研究来确定最重要的因素。
停
这是很有价值的
这是朱教授和娄教授对石墨烯韧性的一次有价值的实验测量!
Kc曾被认为与尖端周围的应力状态有关，~ 2.63-3.38 nN Å−3/2，见我们的预测http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/13272，
看到http://apl.aip.org/resource/1/applab/v101/i12/p121915_s1
回复:它很有价值
宾，谢谢你指出你的医学博士工作。二维材料的断裂确实会受到加载方式的影响。本文主要研究I型断裂。其他研究小组研究了石墨烯的撕裂。但在实验中很难定量控制石墨烯等原子薄片的撕裂过程。
非常有趣的话题
你好,
谢谢你提出这个非常有趣的话题。你的例子很好地展示了原位纳米力学测试和原子模拟之间协同作用的力量。我有一个评论
关于纳米结构内部缺陷的重要性(例如
除了自由表面外，直径< 100纳米的晶体纳米线。原子数
模拟主要集中在两种半导体的表面效应上
还有金属纳米线，这当然是至关重要的，因为越来越多
表面体积比。而且，纳米线(包括自下而上!
合成的(通常被认为是无缺陷的)含有不同的
内部缺陷类型。举个例子，我们最近对碳化硅的研究
纳米线孪晶密度高，存在层错
在纳米线内部(碳化硅的机械性能
纳米线:尺寸相关缺陷密度的影响，《纳米快报》14;
754年,2014年)。这些缺陷被发现对生产过程有重要的影响
裂纹的萌生和扩展。表面也很重要
缺陷。我希望更多的原子模拟能够研究这些缺陷
在纳米结构。
作为实验学家，我们喜欢推进纳米力学测试方法。一个问题是您想要什么类型的测试能力
有从模拟的角度来看。例如，我们最近
在MEMS纳米机械之上开发了温度控制能力
测试平台(“热机械微机电系统
纳米结构测试，《应用物理学报》，2013)。
宾夕法尼亚大学的Dan Gianola小组最近的另一项研究(“温度
单根纳米线的控制拉伸试验”，综述
科学仪器，85,013901,2014)。还有其他测试吗?
您希望看到哪些功能?
勇
非常有趣的话题
亲爱的,
谢谢你鼓舞人心的评论。
我完全同意内部缺陷可以在纳米结构的力学响应中发挥与表面缺陷同样重要的作用。这种内部缺陷可能预先存在或在变形过程中形成。除了你的SiC工作，Greer和Gao团队的参考文献8展示了一个很好的例子，关于内部缺陷(即高密度的孪晶界)如何通过原位实验和MD模拟影响Cu纳米柱的力学性能。
作为一名建模者，尽管存在技术挑战，但近年来纳米力学测试能力的迅速发展给我留下了深刻的印象。你的团队、Gianola的团队和其他人的温度控制测试，结合应变速率控制测试，将使变形动力学和相关强度-延性特性的研究变得令人兴奋。在未来，我希望看到新的测试功能，例如，环境控制(例如，湿度)，多场耦合(例如，电气测量)和复杂加载(例如，扭转)。
停
纳米力学研究的新途径
亲爱的,
感谢你及时地组织了一场精彩的讨论，突出了原位nanomechanics。您在二维材料方面的合作工作以及朱教授领导的工作代表了该领域的一些令人兴奋的领域。特别是，量化纳米结构中少量(甚至单一)缺陷的重要性已经受到越来越多的关注，有趣的是，一些材料受到预先存在的缺陷的显著影响，而另一些材料似乎具有强大的缺陷容忍度。我认为，开发一些预测能力，来先验地确定内在的损伤容忍度，是一个令人兴奋的研究方向。这个话题很好地反映了当前《iMechanica》杂志的主题万博manbetx平台离散位错动力学，由El-Awady教授领导。
为了继续你和Yong开始的关于该领域新实验发展的线索，我想强调几个简洁的例子: