针对纳米材料尺寸微小，难以机械操控的问题。团队以拔丝地瓜为灵感，借助静电纺丝过程将银纳米线装载于纤维内部，搭建了一种间接拉伸研究纳米材料机械性能操纵平台。这个平台打破了纳米材料机械拉伸需要借助高精度的仪器的困境，且成为同时拉伸多根纳米线的有效操作方法。借助此平台团队首次发现了拉伸后的单根银纳米线上出现多段颈缩的结构，且每个颈缩的大小基本相同，这对于纳米材料而言是一种罕见的稳定极限平衡态。通过球差透射电镜和分子动力学模拟对银纳米线上的颈缩部分进行表征，揭示了银纳米线在拉伸过程中形成的位错和层错堆积导致的压杆位错（Lomer–Cottrell lock）是多段颈缩结构能被观察到的根本原因。

图1. 拔丝地瓜

纳米材料的性能研究大多集中在它们的光电磁效应，由于高精度仪器的限制，对纳米材料机械性能的研究一直相对较少。材料想要获得进一步的应用，对其机械性能的掌握是不可或缺的过程，发展新简便工具才有机会摆脱操控高精度仪器的限制，由餐桌上的一道拔丝地瓜引发的灵感使发明这种工具成为可能。糖包裹这大块的地瓜，而将地瓜从盘中夹起的时候总会带起很多糖丝，这些糖丝沿着同一方向排列，每一根糖丝的直径可以拉伸至微米尺度。研究人员将具有弹性的大分子热塑性聚氨酯（TPU）作为“糖”，通过定向静电纺丝的方法让TPU拔成平行排列的直径为纳米级别的“丝”。纳米“丝”中负载的纳米材料也会随着拉伸的动作而变形，由此实现纳米材料的机械形变。

图2. 氧化硅包覆的银纳米线在静电纺丝纤维膜中被拉伸出多段颈缩结构

为了使银纳米线的变形更容易被观察到，在近期发表在Small Science 的研究论文里， 西湖大学陈虹宇，南京工业大学刘雪洋等在银纳米线表面覆盖上一层氧化硅的壳层（图2a）。氧化硅材料在纳米线表面形成脆硬的壳层，在受力时，会先于金属纳米线出现不可恢复的形变。将氧化硅包覆的银纳米线与热塑性聚氨酯溶液混合在一起后，通过静电纺丝的方法收集得到宏观负载了银纳米线的定向纤维膜。并通过拉伸纤维膜的方法成功的将内部银纳米线拉伸变形，并首次得到银纳米线表面的多段颈缩结构（图2h）。

图3. 动力学模拟与定量扫描透射电子显微镜证明颈缩内部由于层错堆积导致的压杆位错

通过大量统计，研究人员发现越细的纳米表面的颈缩越小，这说明与宏观材料不同，纳米尺度下，越细的纳米线越难被拉开。而直径相同的银纳米线表面的颈缩并不会随拉伸程度的增加而增加，这说明多段颈缩结构是银纳米线被拉至断裂前的稳定极限平衡态。

研究人员利用球差电镜表征出颈缩内部的晶格缺陷，且通过动力学模拟颈缩和定量扫描透射电子显微镜进一步证明了颈缩形成过程中位错的分解与相遇。银纳米线在拉伸过程中，晶格中层错移动堆积导致的压杆位错是其在变形过程中机械强度提升的一个重要原因，也是这项工作中能在银纳米线表面观察到多段颈缩结构形成的重要原因。

宏观金属材料中的缺陷是复杂且随机的，而纳米结构中的缺陷则是高度有序的，例如沿轴向的五重孪晶银纳米线。操纵和理解这些有序缺陷在机械应力下的行为能够为将来纳米材料的应用提供机械性能相关的基础知识。

这项工作提供一种替代原位电子显微镜的方法，为研究纳米材料的机械性能打开一扇窗口。上海科技大学王竹君，南京工业大学刘雪洋，西湖大学陈虹宇为本论文共同通讯作者。

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