官方消息：六方氮化硼 (h-BN) 是 2D 材料的钢铁侠，其抗开裂性如此之高，以至于它违背了工程师们仍然用来测量韧性的百年历史的理论描述。
“我们在这种材料中观察到的东西是非凡的，”本周发表的《自然》论文的共同通讯作者、莱斯大学的娄俊说。“没有人期望在 2D 材料中看到这一点。这就是它如此令人兴奋的原因。”
娄通过比较 h-BN 的断裂韧性与其更知名的表亲石墨烯的断裂韧性来解释这一发现的重要性。在结构上，石墨烯和 h-BN 几乎相同。在每一个中，原子排列在互连六边形的平面晶格中。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。
石墨烯中的碳-碳键是自然界最强的，这应该使石墨烯成为最坚固的材料。但有一个问题。即使有几个原子不合适，石墨烯的性能也会从非凡到平庸。Lou 说，在现实世界中，没有任何材料是没有缺陷的，这就是为什么断裂韧性(或抗裂纹扩展性)在工程中如此重要：它准确描述了现实世界材料在失效前可以承受多少惩罚。
“我们七年前测量了石墨烯的断裂韧性，它实际上不太耐断裂，”娄说。“如果格子上有裂缝，那么小的负载就会破坏这种材料。”
总之，石墨烯很脆。英国工程师 AA Griffith 于 1921 年发表了一项开创性的断裂力学理论研究，该研究描述了脆性材料的失效。格里菲斯的工作描述了材料中裂纹的大小与使裂纹扩展所需的力之间的关系。
Lou 2014 年的研究表明，石墨烯的断裂韧性可以用格里菲斯的久经考验的标准来解释。鉴于 h-BN 与石墨烯的结构相似，它也很脆。
事实并非如此。六方氮化硼的抗断裂性比石墨烯高 10 倍左右，而且 h-BN 在断裂试验中的表现出人意料，以至于无法用格里菲斯公式进行描述。准确地展示了它的行为方式以及为什么在 Lou 的莱斯实验室进行了 1000 多个小时的实验，以及由新加坡南洋理工大学 (NTU) 的共同通讯作者高华建领导的同样艰苦的理论工作。
“让这项工作如此令人兴奋的是，它揭示了一种据称非常脆的材料的内在增韧机制，”高说。“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会有如此大的差异。”
Lou、Gao 及其同事将截然不同的材料行为归因于 h-BN 包含两种元素而不是一种元素导致的轻微不对称。
“硼和氮不一样，所以即使你有这个六边形，它也不完全像碳六边形(在石墨烯中)，因为这种不对称排列，”娄说。
新加坡南洋理工大学的计算模拟有助于解释二维六方氮化硼的意外断裂韧性。该材料的内在韧性源于其原子结构(左)的轻微不对称，这产生了使裂纹沿着分支路径移动的永久趋势(右)。图片来源：H. Gao/NTU
他说理论描述的细节很复杂，但结果是 h-BN 中的裂缝有分支和转向的趋势。在石墨烯中，裂纹的尖端直接穿过材料，像拉链一样打开粘合。但是 h-BN 中的晶格不对称会产生一个“分叉”，在那里可以形成分支。
“如果裂缝是分支的，那就意味着它正在转动，”娄说。“如果你有这种转向裂纹，它基本上会花费额外的能量来进一步推动裂纹。因此，你通过使裂纹更难传播来有效地强化了你的材料。”
Gao 说：“固有的晶格不对称性使 h-BN 具有移动裂缝从其路径分支的永久趋势，就像滑雪者失去了保持平衡姿势向前移动的能力一样。”
由于其耐热性、化学稳定性和介电特性，六方氮化硼已经成为二维电子和其他应用的极其重要的材料，这使其既可以作为支撑基底，也可以作为电子元件之间的绝缘层。Lou 表示 h-BN 令人惊讶的韧性也可能使其成为为由 2D 材料制成的柔性电子产品增加抗撕裂性的理想选择，这些材料往往很脆。
“基于 2D 材料的电子产品的利基领域是柔性设备，”Lou 说。
他说，除了电子纺织品等应用外，2D 电子产品还足够薄，可以用于更奇特的应用，如电子纹身和可以直接连接到大脑的植入物。
“对于这种类型的配置，您需要确保材料本身在弯曲时具有机械强度，”Lou 说。“h-BN 的抗断裂性对 2D 电子社区来说是个好消息，因为它可以将这种材料用作非常有效的保护层。”
高说，这些发现也可能指出了一条通过工程结构不对称来制造坚韧机械超材料的新途径。
“在极端载荷下，断裂可能是不可避免的，但可以通过结构设计减轻其灾难性影响，”高说。
娄是材料科学和纳米工程的教授和副系主任，也是莱斯大学的化学教授。高是南大工程学院和理学院的杰出大学教授。
Rice 附属的合著者是 Yingchao Yang，现在是缅因大学的助理教授，Chao Wang，现在在的哈尔滨工业大学，和 Boyu Zhang。其他合著者包括布朗大学的波妮;清华大学李晓燕;科学院陆广元、张清华、顾林、谢晓明;新加坡科学、技术和研究机构的宋志功，前清华大学和布朗大学。