精确事件: 测量杨氏模量

当纳米器件的时代到来时,精度是非常重要的。更广泛的说,任何让研究学更加精确获得由纳米材料制成的器件的测量方法是很重要的。这就是为什么当有人想出了一项新技术来调整确定纳米线的杨氏模量时会成为新闻的原因所在。

那么什么是杨氏模量呢?简单地说,就是一种测量弹性材料坚硬程度的方法。从根本上讲,它是测量相邻两个原子间延伸的困难程度。随着尺寸的减小,表面积和体积的比例随之增加。原子在表面和体积上的分布会有很大的不同。因此,可见线的杨氏模量与纳米线的杨氏模量出现了很大的区别,即使它们由相同的材料构成。

如果你已经清楚杨氏模量的概念,可跳过前面的内容到下一段。对于每个人来说,假设你取一种材料并且拉伸它。如果用拉伸材料的力除横截面积,将得到“应力”的值。如果用材料的延伸率除原始的长度,将得到“应变”的值。延伸率是指材料原始长度与拉伸长度的差别。(例如,如果某种材料的长度为10厘米,你将它拉伸到12厘米,那么延伸率就是2厘米。)如果将应力值除应变值,就会得到杨氏模量的值。

当开发纳米机械器件时,杨氏模量是个非常重要的因素。因为它会告诉你当机械载荷加载的时候材料是如何变形的。假设你正在构建某种东西,你当然想了解所构建材料的行为如何,对不对?

一种常用的测量纳米线杨氏模量的方法是将纳米线固定在某个位置,然后进行振动直到其发生共振为止。共振频率可用来计算杨氏模量的值。但是有个问题出现了。北卡州立大学Yong Zhu和Paul casino online Ro带领的研究小组发现,将纳米线固定的方法会影响其共振频率,而且会扭曲研究学者用于计算杨氏模量的数据。为了解决这一问题,Zhu和Ro的团队进行了深入系统地研究,发明了一种固定纳米线的最佳方法,从而使得对杨氏模量的测量更加精确。

这项新技术就是当纳米线振动时,使用一种异质材料将纳米线的末端夹住,测量其共振频率。然后,增加夹钳的尺寸并且重复这一过程。当夹钳的尺寸增加时,线的支撑变得更加坚固,所以共振频率上升。这一过程随着夹钳的尺寸不断增加而重复实验,直到共振频率达到恒定值。一旦夹钳的尺寸不再成为一个影响因素而增加时,就得到了最精确的测量结果。

一篇名为“测量一种悬臂式纳米线真实的杨氏模量:夹钳对共振频率的影响。”的文章已经在Small杂志上发表。这篇文章的共同作者为北卡州立大学的博士研究生Qingquan Qin, Feng Xu和Yongqing Cao。该研究得到了美国国家科学基金会的支持和赞助。