如果某材料能夠承受高負(fù)荷而沒(méi)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(fā)生災(zāi)難性破壞。這句話用來(lái)描述陶瓷材料是非常準(zhǔn)確的，而對(duì)于二維材料石墨烯同樣適用——石墨烯具有超高的固有強(qiáng)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(zhǎng)期以來(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）。這就給它帶來(lái)了額外潛在的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

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

通訊作者之一，萊斯大學(xué)的Jun Lou表示，在結(jié)構(gòu)上，石墨烯和h-BN幾乎相同。在每一個(gè)原子中，原子排列在一個(gè)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(qiáng)的，這應(yīng)該使石墨烯成為周圍最堅(jiān)硬的物質(zhì)。但有個(gè)陷阱。如果哪怕是幾個(gè)原子都不合適，石墨烯的性能也會(huì)從非同尋常變成平庸。而在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有一種材料是無(wú)缺陷的，這就是為什么斷裂韌性——或者說(shuō)抗裂性——在工程上如此重要：它準(zhǔn)確地描述了一種現(xiàn)實(shí)世界中的材料在失效前能承受多少。“我們?cè)?年前測(cè)量了石墨烯的斷裂韌性，實(shí)際上它的抗斷裂能力不是很強(qiáng)，如果材料有缺陷，一個(gè)小負(fù)載就會(huì)把材料弄壞。”

英國(guó)工程師A.A.Griffith在1921年發(fā)表了一篇關(guān)于斷裂力學(xué)的開創(chuàng)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(kuò)展所需的力之間的關(guān)系。Lou在2014年的研究表明石墨烯的斷裂韌性可以用Griffith的時(shí)間測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解釋。考慮到h-BN與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似，它也被認(rèn)為是易碎的。

但事實(shí)并非如此。Lou在萊斯大學(xué)進(jìn)行了漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，南洋理工大學(xué)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(wú)法套用Griffith公式來(lái)描述。Lou，Gao和他的同事們追蹤了這種截然不同的物質(zhì)行為，發(fā)現(xiàn)氮化硼含有兩種元素而不是一種元素，從而導(dǎo)致了輕微的不對(duì)稱。Lou說(shuō)，“硼和氮是不一樣的，所以即使你有這個(gè)六邊形，它也不完全像石墨烯的碳六邊形。”

這里用了一個(gè)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(guò)材料，像拉鏈一樣打開鍵。但h-BN中的晶格不對(duì)稱性造成了分支形成的“分叉”。“如果裂縫是分叉的，那就意味著它正在轉(zhuǎn)向，如果有這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裂紋，它基本上需要額外的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)裂紋。因此，通過(guò)增加裂紋擴(kuò)展的難度，有效地增強(qiáng)了材料的韌性。”

六方氮化硼由于其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能已經(jīng)成為二維電子和其他應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品抗撕裂性的理想選擇。

參與這項(xiàng)研究的還包括緬因大學(xué)、布朗大學(xué)、新加坡科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，以及中國(guó)的哈工大、清華、中科院的學(xué)者。

編譯 YUXI