科学家们发现了比石墨烯更具韧性的二维材料

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美国莱斯大学(Rice University)的材料科学家卢军教授(Jun Lou,音译)说:「我们在这材料中所观察到的现象很惊人。 没有人预期在二维材料中见到这个现象。 」

一种物理性质与石墨烯(graphene)相近的二维材料,在韧性方面彻底打败了石墨烯。

六方氮化硼

这个材料被称为六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)。 它非常耐破裂,而这让科学家们目瞪口呆,这是因为,这项发现与科学家们从1920年代起就使用来预测及定义韧性的破裂机制的基础描述互相违背。

美国莱斯大学(Rice University)的材料科学家卢军教授(Jun Lou,音译)说:「我们在这材料中所观察到的现象很惊人。 没有人预期在二维材料中见到这个现象。 」

与石墨烯的比较

六方氮化硼实际上与石墨烯极度相似。 两种材料都包含六方原子晶格。 在石墨烯中,这些原子都是碳。 但是对 h-BN 而言,每个六边形包含了三个硼原子与三个氮原子。

碳─碳键结是大自然中最强的键结,所以科学家们预期石墨烯会比 h-BN 还要更强。 一般而言:两种材料在强度与弹性上有相似的值,但 htc/c稍微弱了一点,石墨烯的强度为 130 GPa,而弹性为 1.0 TPa;至于 h-BN,其强度与弹性分别为 100 GPa 与 0.8 TPa。 但是,石墨烯亦有较低的抗破裂性;也就是说,它非常易脆。

卢教授解释:「我们七年前测量过石墨烯的断裂韧性,而它实际上并不耐断裂。 若是晶格中有裂缝的话,一个小小的荷重就能够破坏该材料。 」

因为h-BN的其他性质与石墨烯非常相似,因此它的脆性被认为亦是与石墨烯相当的,尤其是因为石墨烯的脆性与艾伦·阿诺德·格里菲斯(Alan Arnold Griffith)于1921年所提出的格里菲斯理论(Griffith theory)一致。 他发现,当施加在材料上的应力比起将材料合在一起的力量还大时,裂缝就会传播,而这能量上的差异会在裂缝传播时被释放。

然而,当研究团队进行测试时,他们发现非常诡异的事:h-BN 的抗破裂性比起石墨烯大了 10 倍。 这绝对与格里菲斯理论不一致。

裂缝传播机制
为了找出为什么,研究团队在 h-BN 的样本上施加了应力,并尽可能在最小的细节上,使用扫描式电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)与穿透式电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)来观察裂缝如何发生。 在超过 1000 小时的实验与接续分析后,他们找出了答案。

这两种材料可能很类似,但是它们并不完全相同。 在石墨烯中,一道裂缝倾向于如拉链般地,从顶部到底部直接穿透对称的六角型结构。 而由于氮与硼之间的应力差,h-BN 在其六边形结构中有些微的不对称性。 这指的是裂缝倾向于分叉,而这就是使材料更具有韧性的原因。

卢教授说:「如果裂缝分枝,这代表它转了方向。 如果裂缝转了方向,基本上它需要消耗额外的能量来驱动裂缝继续传播。 所以,藉由让裂缝更难以传播,而有效地使材料变得更具韧性。 」

未来发展
这对于开发弹性二维材料以用于例如电子产品等应用上具有重要意义。 且 htc-BN已经具备大量性质,能使其成为这些应用的优秀候选材料,包括其耐热性与化学稳定性。 因此,它能够提供一个新方法来发展例如电子纺织、黏贴式电子刺青、甚至植入等科技。

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)的高华健教授说:「让这项研究变得令人兴奋的事情是,它揭开了在一个本应非常脆弱的材料中固有的韧化机制。 很显然地,即使是格里菲斯也无法预知,在两种具有相似原子结构的脆性材料中,会有如此不同的断裂表现。 」

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引用数据 :

Starr, M., (2021, June 2). This 2D Material Is Way Tougher Than Graphene, And Scientists Are Excited. ScienceAlert
Yang, Y. et al., (2021, June 2). Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03488-1
Rice University, (2021, June 2). Hexagonal boron nitride’s remarkable toughness unmasked. EurekAlert
圖片來源:https://www.sciencealert.com/this-two-dimensional-material-is-even-tougher-than-graphene(圖:J. Lou/Rice University)

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