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娄俊联手六院院士高华健《Nature》:发现六方氮化硼的超强韧性,是石墨烯的10倍!
出处:高分子科学前沿  录入日期:2021-06-07  点击数:93

  六方氮化硼 (h-BN)是一种二维层状宽带隙绝缘材料,具有良好的耐热性、化学稳定性和介电特性,被广泛用作电子器件中。从结构上来看,六方氮化硼和石墨烯十分相似,都由原子的排列在互连六边形的平面晶格组成。唯一不同的是,在石墨烯中,所有原子都是碳,而在 h-BN 中,每个六边形都包含三个氮原子和三个硼原子。

 

  图1. 石墨烯的原子结构
  石墨烯很脆 = h-BN 很脆?
  碳-碳键是自然界中最强的键之一,因此理论上石墨烯要比 h-BN 坚固得多。虽然这两种材料的强度和弹性模量差不多,但 h-BN 略低:石墨烯的强度约为130 GPa,杨氏模量约为1.0 TPa;而h-BN 的强度和模量则分别为 100 GPa和 0.8 TPa。
  然而,在现实世界中,没有材料是没有缺陷的,石墨烯也是如此。尽管它具有优异的力学性能,但是石墨烯的抗裂性较低。换而言之,石墨烯很脆!
  1921年,英国工程师格里菲斯发表了一篇开创性的断裂力学理论研究,描述了脆性材料的失效,以及材料中裂纹的大小与使裂纹扩展所需的力之间的关系。百年来,科学家和工程师们一直都在使用这个理论来预测和定义材料的韧性。
  2014年,美国莱斯大学娄俊教授团队的研究表明,石墨烯的断裂韧性与格里菲斯的断裂力学理论一致:当施加在石墨烯上的应力大于将其固定在一起的力时,裂纹会扩展;并且能量的差异在裂纹的扩展中被释放。
  鉴于 h-BN 与石墨烯的结构相似,人们认为它同样也很脆。然而,事实并非如此。
  违背百年断裂力学理论!科学家发现h-BN比石墨烯的韧性高10倍
  近日,来自美国莱斯大学楼峻教授和新加坡南洋理工大学高华健院士(美国科学院院士、美国工程院院士、美国艺术与科学院院士、德国科学院院士、中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士)的联合团队在《Nature》发文称,他们发现:常识中认为脆性的h-BN居然表现出超强的抗裂性(即韧性),是石墨烯的10倍!这个发现与格里菲斯的断裂理论背道而驰,而且此前从未在二维材料中观察到这种异常现象。相关研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”为题,发表在国际顶级期刊《Nature》上!

 

  h-BN超强韧性背后的机制
  为了找出原因,研究团队对 h-BN 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地观察裂纹是如何发生的。在经过 1,000 多个小时的实验和后续理论分析后,他们发现了其中的奥秘。

 

 

  图2. SEM观察预裂化单层 h-BN 的断裂和稳定的裂纹扩展。
  虽然石墨烯和h-BN结构上可能相似,但硼和氮原子不一样,所以在h-BN中的六方晶格本征存在不对称排列,与石墨烯中的碳六边形不同。简单来说,在石墨烯中,裂纹倾向于从上到下直线穿过对称的六边形结构,像拉链一样打开粘合。由于硼和氮之间的应力对比,h-BN 的六边形结构略有不对称,这种晶格的固有不对称性会导致裂纹分叉,形成分支。

 

  图3. h-BN 和石墨烯中的裂纹起始。
  而如果裂纹是分叉的,那就意味着它正在转动。这种转向裂纹的存在需要花费额外的能量来进一步推动裂纹的扩展,从而导致裂纹更难以传播,有效地增强了材料的韧性。” 这就是h-BN表现出超越石墨烯的弹性的原因。

 

  图4. h-BN样品中的裂纹扩展和有效能量释放率。
  由于具有优异的耐热性、化学稳定性和介电特性,h-BN已经成为二维电子和其他二位器件的极其重要的材料,不仅可以作为支撑基底,还可以作为电子元件之间的绝缘层。而如今, h-BN 令人惊讶的韧性使其成为柔性电子产品的理想选择,并且对开发用于二维电子等应用的柔性 2D 材料具有重要意义。
  新加坡南洋理工大学高华建院士表示:“这项工作令人惊讶的同时又令人兴奋,因为它揭示了一种据称非常脆的材料的内在增韧机制。”
  “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会有如此大的差异。”
  未来,除了柔性电子纺织品应用以外,具有超强韧性的h-BN还可以用做柔性电子皮肤和可以直接连接到大脑的可植入电子器件。
  参考文献:
  Yang, Y., Song, Z., Lu, G. et al. Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride. Nature 594, 57–61 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03488-1

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