培育完美钻石：模拟揭示有趣的几何图案
摘要：科学家们模拟了金刚石薄膜的生长，揭示了几何特性，并对如何在实验室中更有效地生长这些薄膜有了深刻的认识。在当今社会，“钻石”一词会让人联想到一系列关于力量、财富和地位的画面。但剥去这些，材料的科学用途就.
科学家们模拟了金刚石薄膜的生长，揭示了几何特性，并对如何在实验室中更有效地生长这些薄膜有了深刻的认识。
在当今社会，“钻石”一词会让人联想到一系列关于力量、财富和地位的画面。但剥去这些，材料的科学用途就显露出来了。钻石是透明的，非常坚硬，不会对活体组织构成任何危险。最近，研究人员已经开始在实验室里培育超薄多晶金刚石薄膜。这些薄膜具有许多钻石宝石的特性，可以在生物医学和传感器方面有许多应用。此外，由于它们是由碳制成的，因此不需要任何昂贵或难以获得的材料。
来自冲绳科学技术研究生院 (OIST) 力学和材料部门的工作科学家 Stoffel Janssens 博士模拟了多孔和封闭多晶金刚石薄膜的生长。多孔金刚石薄膜（那些在整个薄膜上散布着孔的薄膜）有朝一日可以用作生长神经元和其他细胞的平台。模拟取得了成功，揭示了薄膜中有趣的几何结构，研究结果发表在Acta Materialia 上。
Janssens 博士解释说：“这些模拟让我们对我们在实验室中可能做的事情有了一个有希望的前景。” “多孔薄膜目前需要复杂的技术来制造。我们希望能够以一种简单且具有成本效益的方式来制造它们。模拟阐明了我们应该使薄膜生长多长时间、颗粒应该有多大以及我们可以从结果中期待什么。”
为了生长多晶金刚石薄膜，纳米金刚石颗粒被播种在衬底上。在合适的条件下，这些晶粒将生长成柱状金刚石晶体，然后扩展并相互连接。随着时间的推移，这些连接加强，形成了坚固的材料。二维模拟使 Janssens 博士和他的合作者能够观察到改变颗粒大小和初始粒径分布的详细结果。他们发现，随着金刚石薄膜的生长，晶粒之间的晶界形成了一个众所周知的图。
“它被称为 Voronoi 图，”Janssens 博士解释说。“许多不同科学和工程领域的研究人员都知道——从模拟细胞和骨骼结构的生物学家到寻找感染源的流行病学家，再到研究森林树冠生长模式的生态学家。”
Voronoi 图的示例
当研究人员改变晶粒密度时，图表出现了不同的变化。模拟结果表明，颗粒的初始密度高会产生类似于蜂窝状图案的图表，其中孔隙均匀分布在薄膜上，而较低的颗粒初始密度会导致孔隙分布不均匀。
Janssens 博士还研究了薄膜生长过程中不同阶段发生的拓扑转变。第一个显著的转变发生在所有颗粒连接时，形成多孔膜。第二个显著的转变发生在晶粒紧密连接时，形成了一个没有任何针孔的封闭膜。在模拟的基础上，研究人员调查了针孔的存活率，并探索了将针孔出现在最终封闭薄膜中的可能性降到最低的策略。
“多晶金刚石薄膜的模拟有助于连续渗透理论领域的研究，”OIST力学与材料单元的首席研究员 Eliot Fried 教授解释说。“除了提供了有助于在实验室环境中高效生长这些薄膜的实际见解外，这项研究还增强了我们对金刚石和其他各种材料的多晶薄膜生长相关的潜在拓扑和几何问题的理解。”我们期待着将我们的发现应用于薄膜的开发，这些薄膜可用于生物医学科学、量子器件和其他应用。”
