h-BN 样品断裂时的分支。 （J. Lou/莱斯大学）
与二维材料具有相似物理特性的材料现在事实证明，石墨烯在韧性方面表现出色。
这种材料被称为六方氮化硼（h-BN），它的抗裂性让科学家们大吃一惊。这一发现与断裂力学的基本描述相悖，科学家自 20 年代以来一直用断裂力学来预测和定义韧性。
“我们在这种材料中观察到的现象是值得注意的，”莱斯大学材料科学家 Jun Lou 说道。 “没有人预料到会在二维材料中看到这一点。这就是它如此令人兴奋的原因。”
六方氮化硼实际上与石墨烯极其相似。这两种材料均由六方原子晶格组成。就石墨烯而言，所有这些原子都是碳；但对于h-BN，每个六边形包含三个硼原子和三个氮原子。
碳-碳键是自然界中最强的，因此预计石墨烯将比 h-BN 强得多。一般来说，确实如此：这两种材料的强度和弹性值相似，但 h-BN 的值略低。石墨烯的强度约为 130 吉帕斯卡，弹性约为 1.0 兆帕斯卡； h-BN 的值分别为 100 吉帕斯卡和 0.8 兆帕斯卡。
然而，石墨烯的抗裂性也较低；换句话说，它非常脆弱。
“七年前我们测量了石墨烯的断裂韧性，它实际上不太耐断裂，”楼解释道。 “如果格子上有裂缝，很小的负载就会破坏该材料。”
人们认为，由于h-BN的其他性能与石墨烯非常相似，因此其脆性也具有可比性——特别是因为石墨烯的脆性与格里菲斯断裂理论一致，由工程师艾伦·阿诺德·格里菲斯 (Alan Arnold Griffith) 于 1921 年设计。他发现，当施加在材料上的应力大于将其结合在一起的力时，裂纹就会扩展。能量差在裂纹扩展过程中被释放。
然而，当一组研究人员对此进行测试时，他们发现了一些非常奇怪的事情：h-BN 的抗断裂能力比石墨烯高 10 倍。那绝对是不是与格里菲斯理论一致。
为了找出原因，研究小组对六方氮化硼样品施加应力，使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜尽可能详细地观察裂纹是如何发生的。经过 1000 多个小时的实验和后续分析，他们找到了答案。
电子显微镜图像显示 h-BN 断裂的精细细节。 （杨等人，《自然》，2021）
这两种材料可能相似，但并不完全相同。在石墨烯中，裂纹往往会从上到下笔直穿过对称六边形结构。由于硼和氮之间的应力对比，h-BN 的六方结构具有轻微的不对称性，这意味着裂纹容易分叉。
这就是使材料更具弹性的原因。
“如果裂缝是分支的，那就意味着它正在转向，”楼说。 “如果出现这种转向裂纹，基本上会花费额外的能量来进一步推动裂纹。因此，通过使裂纹更难扩展，您可以有效地增强材料的韧性。”
这对于电子产品等应用中使用的柔性二维材料的开发具有重要意义。 h-BN 已经具备了一系列使其在这些应用中具有良好前景的特性，包括耐热性和化学稳定性。
因此，它可以提供一种开发电子纺织品、粘贴式电子纹身甚至植入等技术的新方法。
“这项工作之所以如此令人兴奋，是因为它揭示了一种被认为是完全脆性材料的内在增韧机制，”新加坡南洋理工大学机械师高华建说。
“显然，即使是格里菲斯也无法预见两种具有相似原子结构的脆性材料的断裂行为如此截然不同。”
该研究发表于自然。
