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2014年5月期刊俱乐部主题:原位纳米力学
的原位纳米力学是通过电子显微镜内实时力学测试和原子分辨率力学建模相结合，研究纳米尺度和纳米结构材料力学性能和变形机理的新兴领域。它提供了一种强大的方法来“可视化”材料的内在纳米力学行为——眼见为实。
一场工程革命目前正在进行中，小型结构和器件正在以微米到纳米尺度制造。了解小长度尺度下材料的力学性能对于成功设计和制造可靠的微/纳米器件至关重要，这些器件应用于微电子学、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(仅引用了许多优秀文献中的少数[1-13])，在这里我将讨论来自我在佐治亚理工学院的小组以及其他大学/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。
-原位扫描电子显微镜(SEM)研究石墨烯断裂韧性
原位纳米力学研究旨在定量测量纳米力学性能。例如，石墨烯等二维材料具有特殊的力学性能。然而，石墨烯的断裂韧性至今尚未得到测量。在这次与教授的合作研究中。小君卢在莱斯大学，悬浮石墨烯的原位拉伸测试是在扫描电镜下使用纳米机械设备进行的。在拉伸加载过程中，预裂石墨烯样品断裂为边缘锋利的脆性断裂，断裂应力大大低于石墨烯的固有强度。实验与模拟相结合，验证了经典Griffith脆性断裂理论在石墨烯中的适用性。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(a-b)原位扫描电镜和(c-d)分子动力学研究预裂石墨烯的断裂。
原位透射电子显微镜(TEM)研究Si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)已经彻底改变了便携式电子产品，是电动汽车的关键。锂离子电池中锂与电极之间的电化学反应是控制锂离子电池容量、可循环性和可靠性的关键过程。尽管对LIBs的研究非常深入，但固体电极中电化学反应的原子水平机制仍然难以捉摸。在这次与Dr。Jianyu黄在桑迪亚和教授。斯科特毛在美国匹兹堡大学，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反应物和非晶态LixSi产物之间观察到约1nm厚的尖锐界面。通过对Si表面上的{111}原子面逐层剥离，发现了一种原子壁架流过程，从而产生非晶态LixSi合金界面的取向依赖迁移。这项原位纳米力学研究为理解锂诱导的应力产生和lib高容量电极的失效提供了重要的见解。
图2单个硅纳米线的原位锂化，显示了(a)锂化前的TEM图像和(b)锂化进行时的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。
总之，通过SEM和TEM进行的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涵盖。上述研究也表明，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未来推进原位纳米力学领域至关重要。最终，纳米力学的原位研究将使纳米结构材料的设计能够充分发挥其潜在的力学强度。
参考文献
Uchic, M. D.， Dimiduk, D. M.， flordo, J. N. & Nix, W. D.样品尺寸影响强度和晶体塑性。科学(2004)。
Haque M. A. & Saif M. T. A.独立纳米薄膜的变形机制:定量的原位透射电子显微镜研究。美国国家科学院院刊101, 6335-6340(2004)。
朱勇，埃斯皮诺萨，洪德。一种用于原位电子显微镜的机电材料测试系统及其应用。美国国家科学院院刊(2005)。
[4]李超，魏晓东，Kysar, J. W.， Hone, J.单层石墨烯弹性性能和固有强度的测量。科学321, 385-388(2008)。
[5]单志伟，米希拉，r.k, Asif, s.a.s.， Warren, O. L. & 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]黄建勇等。单个SnO2纳米线电极电化学锂化的原位观察。科学33,1515 -1520(2010)。
吕勇，宋俊，黄建勇，娄杰。亚20nm超薄金纳米线断裂的研究。先进功能材料21, 3982-3989(2011)。
[8]张德昌，李晓燕，高海杰，李晓燕。纳米孪晶金属纳米柱的变形机理。自然纳米技术7,594 -601(2012)。
[9]雅各布斯，T. D. B. &卡匹克，R. W.纳米尺度磨损作为应力辅助化学反应。自然纳米技术8,108 -112(2013)。
[10]拉梅什，k.t.纳米材料:力学与机理．(施普林格,2009)。
[11] Legros, M.， Gianola, D. S. & Motz, C.电子显微镜定量原位力学测试。夫人公告35,354 -360(2010)。
[12]朱涛，李娟。超强度材料。材料科学进展55, 710-757(2010)。
[13]格里尔，J. R.和德·霍松，J. T. M.小尺寸金属系统的塑性:内在与外在尺寸效应。材料科学进展56, 654-724(2011)。
评论
石墨烯的固有断裂韧性
停:
谢谢你的首创工作!我有一些
值得大家讨论的问题:
1)测量的断裂韧性比I小很多
意料之中(如此脆弱)。我就知道你的尖头有多锋利了。如果裂纹尖端不是
从数学上讲，我们无法得到材料的恒定断裂韧性。可以
你能告诉我你的裂纹(或缺口)尖端的半径吗?FIB可能不太
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
每次都不一样。其他三条曲线呢?当然，你用最大值
用于测量断裂韧性的应力值。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。
线弹性断裂力学可以很好地表征预裂石墨烯的断裂。因此，裂纹尖端钝化对断裂韧性的影响较小。图4f通过原子模拟研究了钝化效应。
石墨烯原子薄层明显处于平面应力条件下。测量的石墨烯断裂韧性代表其平面应力值。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精度。目前，虽然应力-应变曲线仍存在一些变化，但测量的断裂应力总体上是一致的，可重复的。
停
石墨烯断裂韧性
亲爱的停:
谢谢你的有趣的主题!我很高兴看到你最近在石墨烯断裂韧性方面的工作，展示了线性弹性断裂力学的鲁棒性，直至原子层。我可以想象实验有多么具有挑战性。尽管数据有限，但强有力的证据表明石墨烯在室温下是脆的。得到的韧性值(~16 J/m^2)比硅玻璃脆性断裂的典型值(~4 J/m^2)大得多，但与石墨烯的边缘能一致。如果你能将石墨烯的预测边缘能量进行比较，我会更高兴(见表一):石墨烯纳米带自由边缘的多余能量和变形物理学报(自然科学版)。DFT和MD计算的边缘能量预测值约为10-15 eV/nm，而你得到的值约为17 eV/nm。在我看来，考虑到具有挑战性的测量，这很好!
最好的问候,
RH
Re:石墨烯断裂韧性
亲爱的瑞,
谢谢你的意见。你的论文写得很好。实际上，Gc的MD预测比实验测量低30%左右。本文讨论了导致这种差异的因素，如裂纹钝化、裂纹取向、多晶组织、缺陷、晶格俘获等。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
这是朱教授和楼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:这是一个有价值的
彬，谢谢你指出你的总经理工作。事实上，二维材料的断裂可以受到加载模式的影响。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。但在实验中很难对石墨烯等原子薄片的撕裂过程进行定量控制。
非常有趣的话题
你好,
谢谢你提出这个有趣的话题。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
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
模拟着重于两种半导体的表面效应
还有金属纳米线，这是非常重要的，因为
表面体积比。此外，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
内部缺陷的类型。举个例子，我们最近在SiC方面的工作
纳米线的孪晶密度高，存在堆叠错误
纳米线内部("碳化硅的力学性能
纳米线:尺寸依赖缺陷密度的影响， Nano Letters 14，
754年,2014年)。这种缺陷被发现有重要的影响
裂纹萌生和扩展。同样重要的是表面
缺陷。我希望更多的原子模拟能研究这些缺陷
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。一个问题是您想要哪种类型的测试功能
有从模拟的角度来看。例如，我们最近
在MEMS纳米机械的基础上开发了温度控制能力
测试平台("微机电系统的热机械
纳米结构测试，《应用物理学报》，2013年第1期，263114)。
最近的另一项研究是来自宾夕法尼亚大学丹·吉安诺拉(Dan Gianola)的团队(“温度
单个纳米线的受控拉伸试验”，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
回复:非常有趣的话题
亲爱的,
谢谢你激动人心的评论。
我完全同意内部缺陷在纳米结构的力学响应中可以发挥与表面缺陷同样重要的作用。这种内部缺陷可以在变形过程中预先存在或形成。除了你对SiC的研究，来自Greer和Gao团队的参考文献8通过原位实验和MD模拟展示了内部缺陷(即高密度的孪生边界)如何影响Cu纳米柱的力学性能的一个很好的例子。
作为一名建模者，尽管面临技术挑战，但近年来快速发展的纳米力学测试能力给我留下了深刻的印象。你的小组、Gianola的小组和其他人的温度控制测试，结合应变率控制测试，将使令人兴奋的变形动力学和相关强度-延性的研究成为可能。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)和复杂负载(例如扭转)。
停
纳米力学研究的新途径
亲爱的,
感谢你领导了一场精彩而及时的讨论，突出了前沿原位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一些令人兴奋的领域。特别是，量化纳米结构中小群体(甚至单一)缺陷的作用的重要性已经受到越来越多的关注，有趣的是，注意到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错性。我认为，发展一些预测能力来决定，一种先天的，内在的损伤容忍度，是一个令人兴奋的追求。这个主题很好地融入了当前的iMechanica期刊主题万博manbetx平台离散位错动力学由El-Awady教授领导。
为了继续你和Yong在该领域开始的新的实验发展，我想强调几个简洁的例子: