六院院士高華健：發現六方氮化硼的超強韌性，是石墨烯的10倍

婁俊聯手六院院士高華健《Nature》：發現六方氮化硼的超強韌性，是石墨烯的10倍！

石墨烯很脆 = h-BN 很脆？

六方氮化硼 (h-BN)是一種二維層狀寬帶隙絕緣材料，具有良好的耐熱性、化學穩定性和介電特性，被廣泛用作電子器件中。

從結構上來看，六方氮化硼和石墨烯十分相似，都由原子的排列在互連六邊形的平面晶格組成。唯一不同的是，在石墨烯中，所有原子都是碳，而在 h-BN 中，每個六邊形都包含三個氮原子和三個硼原子。

 

圖1. 石墨烯的原子結構

碳-碳鍵是自然界中最強的鍵之一，因此理論上石墨烯要比 h-BN 堅固得多。雖然這兩種材料的強度和彈性模量差不多，但 h-BN 略低：石墨烯的強度約為130 GPa，楊氏模量約為1.0 TPa；而h-BN 的強度和模量則分別為 100 GPa和 0.8 TPa。

然而，在現實世界中，沒有材料是沒有缺陷的，石墨烯也是如此。盡管它具有優異的力學性能，但是石墨烯的抗裂性較低。換而言之，石墨烯很脆！

1921年，英國工程師格里菲斯發表了一篇開創性的斷裂力學理論研究，描述了脆性材料的失效，以及材料中裂紋的大小與使裂紋擴展所需的力之間的關系。百年來，科學家和工程師們一直都在使用這個理論來預測和定義材料的韌性。

2014年，美國萊斯大學婁俊教授團隊的研究表明，石墨烯的斷裂韌性與格里菲斯的斷裂力學理論一致：當施加在石墨烯上的應力大于將其固定在一起的力時，裂紋會擴展；并且能量的差異在裂紋的擴展中被釋放。

鑒于 h-BN 與石墨烯的結構相似，人們認為它同樣也很脆弱。然而，事實并非如此。

違背百年斷裂力學理論！科學家發現h-BN比石墨烯的韌性高10倍

近日，來自美國萊斯大學樓峻教授和新加坡南洋理工大學高華健院士（美國科學院院士、美國工程院院士、美國藝術與科學院院士、德國科學院院士、中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士）的聯合團隊在《Nature》發文稱，他們發現：常識中認為脆性的h-BN居然表現出超強的抗裂性（即韌性），是石墨烯的10倍！這個發現與格里菲斯的斷裂理論背道而馳，而且此前從未在二維材料中觀察到這種異常現象。相關研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”為題，發表在國際頂級期刊《Nature》上！

 

h-BN超強韌性背后的機制

為了找出原因，研究團隊對 h-BN 樣品施加應力，使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡盡可能地觀察裂紋是如何發生的。在經過 1,000 多個小時的實驗和后續理論分析后，他們發現了其中的奧秘。

 

圖2. SEM觀察預裂化單層 h-BN 的斷裂和穩定的裂紋擴展。

雖然石墨烯和h-BN結構上可能相似，但硼和氮原子不一樣，所以在h-BN中的六方晶格本征存在不對稱排列，與石墨烯中的碳六邊形不同。簡單來說，在石墨烯中，裂紋傾向于從上到下直線穿過對稱的六邊形結構，像拉鏈一樣打開粘合。由于硼和氮之間的應力對比，h-BN 的六邊形結構略有不對稱，這種晶格的固有不對稱性會導致裂紋分叉，形成分支。

 

圖3. h-BN 和石墨烯中的裂紋起始。

而如果裂紋是分叉的，那就意味著它正在轉動。這種轉向裂紋的存在需要花費額外的能量來進一步推動裂紋的擴展，從而導致裂紋更難以傳播，有效地增強了材料的韌性。” 這就是h-BN表現出超越石墨烯的彈性的原因。

 

圖4. h-BN樣品中的裂紋擴展和有效能量釋放率。

由于具有優異的耐熱性、化學穩定性和介電特性，h-BN已經成為二維電子和其他二位器件的極其重要的材料，不僅可以作為支撐基底，還可以作為電子元件之間的絕緣層。而如今， h-BN 令人驚訝的韌性使其成為柔性電子產品的理想選擇，并且對開發用于二維電子等應用的柔性 2D 材料具有重要意義。

新加坡南洋理工大學高華建院士表示：“這項工作令人驚訝的同時又令人興奮，因為它揭示了一種據稱非常脆的材料的內在增韌機制。”

“顯然，即使是格里菲斯也無法預見兩種具有相似原子結構的脆性材料的斷裂行為會有如此大的差異。”

未來，除了柔性電子紡織品應用以外，具有超強韌性的h-BN還可以用做柔性電子皮膚和可以直接連接到大腦的可植入電子器件。

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