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

據(jù)外媒報道，六方氮化硼(h-BN)是2D材料中的“鐵人”，它非常抗裂，以至于可以違背一個世紀以來工程師們?nèi)杂闷鋪頊y量韌性的理論描述。“我們在這種材料中觀察到的東西是了不起的，”來自萊斯大學、這項研究的論文通訊作者Jun Lou指出，“沒有人會想到在2D材料中會出現(xiàn)這種情況。這就是為什么它如此令人興奮?！?

Lou通過比較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，每個六邊形包含三個氮原子和三個硼原子。

石墨烯中的碳碳鍵是自然界中最強的，這應該能使石墨烯成為周圍最堅硬的材料。但這里卻存在一個陷阱。即使只有幾個原子不正常，石墨烯的表現(xiàn)也會從非凡變成平庸。在現(xiàn)實世界中，沒有一種材料是無缺陷的，Lou指出，這就是為什么斷裂韌性--或抗裂縫增長--在工程中如此重要。

“我們在七年前測量了石墨烯的斷裂韌性，它實際上并不是很抗斷裂，”Lou說道，“如果晶格上有裂紋，一個小載荷就會破壞這種材料?！?

總之石墨烯是非常脆的。英國工程師A.A.Griffith曾在1921年發(fā)表了一項開創(chuàng)性的斷裂力學理論研究，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的時間檢驗標準來解釋?？紤]到氫氮化硼的結(jié)構(gòu)跟石墨烯相似，人們預計它也會很脆。

然而事實并非如此。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試中的表現(xiàn)是如此得出人意料，以至于無法用Griffith公式來描述。

“讓這項工作如此激動人心的是，它揭示了一種被認為是完美脆性材料的內(nèi)在增韌機制，”來自新加坡南洋理工大學、這項研究的論文合著者Huajian Gao表示，“顯然，即使是Griffith也無法預見到兩種具有相似原子結(jié)構(gòu)的脆性材料的斷裂行為會如此截然不同?！?

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)了輕微的不對稱現(xiàn)象?！芭鸷偷遣灰粯拥?，所以即使你有這個六邊形，它也不完全像碳六邊形，因為這種不對稱的排列，”Lou說道。

另外他還指出，理論描述的細節(jié)是復雜的，但結(jié)果是h-BN的裂縫有分支和轉(zhuǎn)彎的趨勢。在石墨烯中，裂縫的尖端直接穿過材料。但h-BN的晶格不對稱產(chǎn)生了一個可以形成分支的“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進一步驅(qū)動裂縫。因此，通過使裂紋更加難以擴展，材料有效地變韌了，”Lou說道。

Gao則指出：“固有的晶格不對稱使h-BN具有一種永久性的傾向，即移動的裂縫會偏離其路徑，就像一個滑雪者失去了保持平衡的姿勢以直線前進的能力。”

由于其耐熱性、化學穩(wěn)定性和介電特性，六方氮化硼在2D電子和其他應用中已經(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)品的利基領域是柔性設備，”Lou說道。他表示，除了像電子紡織品這樣的應用外，2D電子設備也足夠薄，這樣可以用于更奇特的應用如電子紋身和可以直接連接到大腦的植入物。

“對于這種類型的配置，你需要確保材料本身在彎曲時具有機械上的堅固性，”Lou指出，“h-BN的抗斷裂性能對2D電子領域來說是個好消息，因為它可以使用這種材料作為一種非常有效的保護層。”

Gao則稱這些發(fā)現(xiàn)也可能為通過工程結(jié)構(gòu)不對稱制造堅韌的機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，但它的災難性影響可以通過結(jié)構(gòu)設計減輕，”Lou說道。