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(xué)、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(yīng)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(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。考慮到氫氮化硼的結(jié)構(gòu)跟石墨烯相似，人們預(yù)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(xué)、這項研究的論文合著者Huajian Gao表示，“顯然，即使是Griffith也無法預(yù)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。“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(fù)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(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(lǐng)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(zāi)難性影響可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計減輕，”Lou說道。