断裂力学也没想到的事,二维材料六方氮化硼抗裂性比石墨烯高10倍

六方氮化硼(hBN)是一种具有与石墨烯相似物理特性的二维材料,然而最近一组研究人员测试发现这种材料的抗裂性是石墨烯10倍,与断裂力学基本描述背道而驰。在反复实验上千小时后,科学家找到问题了,裂纹分叉方式不同是导致六方氮化硼材料更具弹性的原因。

六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN;别名α-BN、g-BN)与石墨烯极为相似,这2种材料都是由原子构成六边形蜂巢晶格的平面薄膜,因此前者有时也被称作“白石墨”。只是就石墨烯而言,所有原子都是碳;而就六方氮化硼来说,每个六边形晶格都包含3个硼原子和3个氮原子。

碳-碳键是自然界中最强的键之一,因此科学家预期石墨烯的强度和弹性都比六方氮化硼好,一般来说也没错:石墨烯极限拉伸强度约130 GPa,弹性约1.0 TPa;六方氮化硼强度约100 GPa,弹性约0.8 TPa,两者数值接近,但六方氮化硼表现还是比石墨烯低了些。

在石墨烯和六方氮化硼材料中,原子排列在六边形扁平晶格中,石墨烯所有原子都是碳,六方氮化硼则是3个氮原子和3个硼原子。

但在现实世界中,没有任何材料毫无缺陷,科学家自1920年代以来,一直利用英国工程师Alan Arnold Griffith于二战期间提出的断裂力学(Fracture mechanics)来预测和定义材料的韧性(或抗裂纹扩展性),当施加在材料的应力大于将材料固定在一起的力时,裂纹就会扩大,且能量差异会在裂纹扩展中释放。该理论在工程学中相当重要,它准确描述了材料在崩裂前可承受多少外力刺激。

7年前,科学家依据该理论测量发现石墨烯的抗裂性偏低,若晶格上有裂缝,那么只要一点负载就会破坏石墨烯材料;换句话说石墨烯也有非常脆弱的一面,只要有几个原子“不健康”,石墨烯性能就会从非凡掉到平庸。

按照正常推理,六方氮化硼的抗裂性应该也与石墨烯相当,然而当研究人员去测试六方氮化硼时发现其抗裂性是石墨烯10倍,这表现太出乎意料,甚至于无法用断裂力学公式描述。

为解开这突兀谜题,研究团队使用扫描电子显微镜(SEM)和穿透式电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)观察六方氮化硼的裂纹如何产生,经过1,000多个小时的实验与后续分析,他们终于发现问题,石墨烯与六方氮化硼再怎么相似,终究存有细微差异。

二维材料六方氮化硼的抗裂韧性之所以那么高,源自其原子结构(左)呈轻微不对称,促使裂纹沿着分支路径移动(右)。

在石墨烯中,裂纹倾向由上到下直线穿过对称的六边形结构,就像拉链一样;但在六方氮化硼中,由于硼和氮之间的应力对比,导致六方氮化硼原子晶格结构略有不对称,进一步促使裂缝有分叉和转向的趋势,而这也是让六方氮化硼更具弹性的原因——材料通过使裂纹更难传递来强化自身,论文和著者、南洋理工大学材料学家Huajian Gao形容,这就像滑雪者在向前移动时失去平衡一样。

已知六方氮化硼因优异的耐热性、化学稳定性与介电特性,在电子应用中具有良好前景,既可作为支撑用基底,也可作为电子组件间的绝缘层。新研究除了揭开了材料的一种内在增韧机制外,或也可成为电子纺纺织品、植入物等技术的新选择。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(图片来源:莱斯大学)

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