如果某材料能夠承受高負荷而沒有不可逆的損傷（如塑性變形），那么它通常是易碎的，并且很可能發生災難性破壞。這句話用來描述陶瓷材料是非常準確的，而對于二維材料石墨烯同樣適用——石墨烯具有超高的固有強度（約130千兆帕斯卡）和彈性模量（約1.0兆帕斯卡），但易碎，斷裂韌性低（每平方米約4兆帕斯卡）。與石墨烯類似的六方氮化硼（h-BN）長期以來也被看做如此，但最新的研究表明并非如此，單晶單分子二維h-BN具有高斷裂韌性，比石墨烯高了一個數量級（10倍）。這就給它帶來了額外潛在的應用機會。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03488-1

通訊作者之一，萊斯大學的Jun Lou表示，在結構上，石墨烯和h-BN幾乎相同。在每一個原子中，原子排列在一個由相互連接的六邊形組成的平面晶格中。石墨烯中的碳碳鍵是自然界最強的，這應該使石墨烯成為周圍最堅硬的物質。但有個陷阱。如果哪怕是幾個原子都不合適，石墨烯的性能也會從非同尋常變成平庸。而在現實世界中，沒有一種材料是無缺陷的，這就是為什么斷裂韌性——或者說抗裂性——在工程上如此重要：它準確地描述了一種現實世界中的材料在失效前能承受多少?！拔覀冊?年前測量了石墨烯的斷裂韌性，實際上它的抗斷裂能力不是很強，如果材料有缺陷，一個小負載就會把材料弄壞?！?/span>

英國工程師A.A.Griffith在1921年發表了一篇關于斷裂力學的開創性理論研究，描述了脆性材料的破壞。Griffith的工作描述了材料中裂紋尺寸與使裂紋擴展所需的力之間的關系。Lou在2014年的研究表明石墨烯的斷裂韌性可以用Griffith的時間測試標準來解釋?？紤]到h-BN與石墨烯的結構相似，它也被認為是易碎的。

但事實并非如此。Lou在萊斯大學進行了漫長的實驗，南洋理工大學的另一位通訊作者Huajian Gao也做了同樣艱苦的工作。六方氮化硼無法套用Griffith公式來描述。Lou，Gao和他的同事們追蹤了這種截然不同的物質行為，發現氮化硼含有兩種元素而不是一種元素，從而導致了輕微的不對稱。Lou說，“硼和氮是不一樣的，所以即使你有這個六邊形，它也不完全像石墨烯的碳六邊形?！?/span>

這里用了一個形象的比喻，很容易理解兩者有不同的斷裂韌性。如上圖所示，在石墨烯中，裂紋尖端直接穿過材料，像拉鏈一樣打開鍵。但h-BN中的晶格不對稱性造成了分支形成的“分叉”?！叭绻芽p是分叉的，那就意味著它正在轉向，如果有這個轉動裂紋，它基本上需要額外的能量來驅動裂紋。因此，通過增加裂紋擴展的難度，有效地增強了材料的韌性?！?/span>

六方氮化硼由于其耐熱性、化學穩定性和介電性能已經成為二維電子和其他應用領域的一種極其重要的材料，使得它既可以作為支撐基底，也可以作為電子元件之間的絕緣層，而它驚人的韌性也可能使其成為增加2D材料制成的柔性電子產品抗撕裂性的理想選擇。

參與這項研究的還包括緬因大學、布朗大學、新加坡科學技術研究機構，以及中國的哈工大、清華、中科院的學者。

編譯 YUXI