一维纳米材料的实验纳米力学

随材料特征尺度的减小，尺寸效应、表面效应、非连续介质等特性的表现逐渐显著，纳米材料因而具有与相应块体材料明显不同的力学性能和各种载荷下特殊的服役行为，这是纳米材料作为微/纳机电器件基本结构和功能单元的基础。一维纳米线的实验纳米力学项目将致力于研究一维纳米材料的力学性能测量和力学行为观察的实验技术。将利用多种载荷方式测量单根纳米线的力学性能；发展几种一维纳米材料力学性能的测量方法并申请专利；与原位电子显微学技术结合，研究单根纳米线受载荷作用下的结构演变和有关的力学性能。将深入认识单根纳米线弹性性能的尺寸效应及其微观机制；定量研究各种纳米线材料的强度性能和断裂行为；原位研究纳米材料的形变和断裂，缺陷的形核、运动、相互作用和湮灭等特征。希望通过本项目，发现纳米力学中的新现象、新机制，提出新方法、新概念，为建立纳米力学的实验方法和理论体系做一些基础性的研究工作。

1、发展了纳米材料力学性能的原位测量方法, 完善了原位扫描电镜中的单轴拉伸方法; 开展了扫描电子显微镜/扫描探针显微镜集成系统的研制；发展了针对一维纳米单体材料的透射电镜的“双倾拉伸”技术，并在国际上创新性地实现了针对一般透射电镜样品的双倾拉伸技术，实现了原子点阵分辨率下透射电镜样品拉伸实验； 2、基于以上发展的创新性方法和设备等开展研究:实现了一维纳米单体材料弹性模量、强度等性能的定量研究; 一维纳米单体材料的弯曲、屈曲等力学实验; 一维纳米单体材料原子尺度的弹-塑性转变行为研究。最后，将“一维纳米单体材料拉伸情况下可接近理论弹性极限”的性能应用于‘复合材料理论与实验’，在世界上首次成功在块体材料中实现“复合材料中纳米线的超弹性性质（弹性为4.6%，接近理论弹性极限）”。本项目合作参与的工作将发表于 Science, 2013年；3、重要研究成果进展如下：a) ZnO纳米线拉伸模量的尺寸效应；ZnO纳米线断裂强度的尺寸效应； ZnO(10-10)表面弛豫的亚埃尺度直接测量；ZnO(10-10)表面的WZ-BCT可逆重构; b)碳纳米管的屈曲和断裂机制，碳纳米管物质输运机理; c)单晶Si纳米线在电子束辐照下加载的结构变化及弹塑性转变的机制；单晶Si纳米线弹性失稳的拉-压应力下原子机制；d)一维纳米材料的电失效及Pt-Fe核壳纳米颗粒催化剂中的晶格应变分布等；e)发现一维纳米单体材料的弹性应变的尺寸效应；发现一维纳米单体材料位错机制的尺寸效应及超塑性的尺寸效应等；发现了SiO2纳米大应变拉伸塑性并模拟阐明其原子机制;发现了金属玻璃小尺寸的大应变弹性行为等。本项目发展了多种实验技术与方法（专利1-5）；发现了新的实验现象，丰富了纳米材料力学理论；对发展高强、高韧材料体系做了基础性的研究工作。发表论文30余篇，代表性论文20篇，包括：Science 1篇，Nature Communication 1篇， Angew. Chem. Inter. Ed. 1篇， Scientific Report 1篇，Nano Letters (9篇), Phys. Rev. Letts (1篇)， NPG：Asia materials 1篇，培养博士研究生6人（毕业），硕士研究生6人。培养新世纪优秀人才1人，青年千人1人，北京市科技新星1人。培养全国百篇优秀博士论文1部。