科學(xué)家發(fā)現(xiàn)六方氮化硼擁有超強(qiáng)抗斷裂能力：韌性是石墨烯的10倍

媒報(bào)道，六方氮化硼(h-BN)是2D材料中的“鐵人”，它非?？沽?，以至于可以違背一個(gè)世紀(jì)以來(lái)工程師們?nèi)杂闷鋪?lái)測(cè)量韌性的理論描述。“我們?cè)谶@種材料中觀察到的東西是了不起的，”來(lái)自萊斯大學(xué)、這項(xiàng)研究的論文通訊作者Jun Lou指出，“沒(méi)有人會(huì)想到在2D材料中會(huì)出現(xiàn)這種情況。這就是為什么它如此令人興奮?！?

Lou通過(guò)比較h-BN及其表親石墨烯的斷裂韌性解釋了這一發(fā)現(xiàn)的重要意義。石墨烯和h-BN在結(jié)構(gòu)上幾乎相同。在每一種結(jié)構(gòu)中，原子排列在相互連接的六邊形平面晶格中。在石墨烯中，所有的原子都是碳原子，而在h-BN中，每個(gè)六邊形包含三個(gè)氮原子和三個(gè)硼原子。

石墨烯中的碳碳鍵是自然界中最強(qiáng)的，這應(yīng)該能使石墨烯成為周?chē)顖?jiān)硬的材料。但這里卻存在一個(gè)陷阱。即使只有幾個(gè)原子不正常，石墨烯的表現(xiàn)也會(huì)從非凡變成平庸。在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有一種材料是無(wú)缺陷的，Lou指出，這就是為什么斷裂韌性--或抗裂縫增長(zhǎng)--在工程中如此重要。

“我們?cè)谄吣昵皽y(cè)量了石墨烯的斷裂韌性，它實(shí)際上并不是很抗斷裂，”Lou說(shuō)道，“如果晶格上有裂紋，一個(gè)小載荷就會(huì)破壞這種材料。”

總之石墨烯是非常脆的。英國(guó)工程師A.A.Griffith曾在1921年發(fā)表了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的斷裂力學(xué)理論研究，其描述了脆性材料的失效。Griffith的工作描述了材料中裂紋的大小和使裂紋增長(zhǎng)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)間檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解釋?？紤]到氫氮化硼的結(jié)構(gòu)跟石墨烯相似，人們預(yù)計(jì)它也會(huì)很脆。

然而事實(shí)并非如此。六方氮化硼的抗斷裂性能約是石墨烯的10倍，由于這種材料在斷裂測(cè)試中的表現(xiàn)是如此得出人意料，以至于無(wú)法用Griffith公式來(lái)描述。

“讓這項(xiàng)工作如此激動(dòng)人心的是，它揭示了一種被認(rèn)為是完美脆性材料的內(nèi)在增韌機(jī)制，”來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)、這項(xiàng)研究的論文合著者Huajian Gao表示，“顯然，即使是Griffith也無(wú)法預(yù)見(jiàn)到兩種具有相似原子結(jié)構(gòu)的脆性材料的斷裂行為會(huì)如此截然不同?！?

Lou、Gao及他們的同事們追蹤了各種不同的材料行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于h-BN含有兩種元素而非一種元素而出現(xiàn)了輕微的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。“硼和氮是不一樣的，所以即使你有這個(gè)六邊形，它也不完全像碳六邊形，因?yàn)檫@種不對(duì)稱(chēng)的排列，”Lou說(shuō)道。

另外他還指出，理論描述的細(xì)節(jié)是復(fù)雜的，但結(jié)果是h-BN的裂縫有分支和轉(zhuǎn)彎的趨勢(shì)。在石墨烯中，裂縫的尖端直接穿過(guò)材料。但h-BN的晶格不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生了一個(gè)可以形成分支的“分叉”。

“如果裂縫分叉了，那就意味著它正在轉(zhuǎn)向。如果你有這種轉(zhuǎn)向裂縫，它基本上需要消耗額外的能量來(lái)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)裂縫。因此，通過(guò)使裂紋更加難以擴(kuò)展，材料有效地變韌了，”Lou說(shuō)道。

Gao則指出：“固有的晶格不對(duì)稱(chēng)使h-BN具有一種永久性的傾向，即移動(dòng)的裂縫會(huì)偏離其路徑，就像一個(gè)滑雪者失去了保持平衡的姿勢(shì)以直線(xiàn)前進(jìn)的能力。”

由于其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，六方氮化硼在2D電子和其他應(yīng)用中已經(jīng)成為了一種極其重要的材料，這使得它既可以作為支撐基礎(chǔ)又可以作為電子元件之間的絕緣層。Lou指出，h-BN驚人的韌性也使其成為2D材料制成的柔性電子產(chǎn)品的抗撕裂性能的理想選擇，這種材料往往非常脆。

“基于2D的電子產(chǎn)品的利基領(lǐng)域是柔性設(shè)備，”Lou說(shuō)道。他表示，除了像電子紡織品這樣的應(yīng)用外，2D電子設(shè)備也足夠薄，這樣可以用于更奇特的應(yīng)用如電子紋身和可以直接連接到大腦的植入物。

“對(duì)于這種類(lèi)型的配置，你需要確保材料本身在彎曲時(shí)具有機(jī)械上的堅(jiān)固性，”Lou指出，“h-BN的抗斷裂性能對(duì)2D電子領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，因?yàn)樗梢允褂眠@種材料作為一種非常有效的保護(hù)層?！?

Gao則稱(chēng)這些發(fā)現(xiàn)也可能為通過(guò)工程結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)制造堅(jiān)韌的機(jī)械超材料指明了一條新途徑。

“在極端載荷下，斷裂可能是不可避免的，但它的災(zāi)難性影響可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減輕，”Lou說(shuō)道。