斷裂力學也沒想到的事,二維材料六方氮化硼抗裂性比石墨烯高 10 倍

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 03 日 12:56 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


六方氮化硼(hBN)是一種具有與石墨烯相似物理特性的二維材料,然而最近一組研究人員測試發現這種材料的抗裂性是石墨烯 10 倍,與斷裂力學基本描述背道而馳。在反覆實驗上千小時後,科學家找到問題了,裂紋分叉方式不同是導致六方氮化硼材料更具彈性的原因。

六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN;別名 α-BN、g-BN)與石墨烯極為相似,這 2 種材料都是由原子構成六邊形蜂巢晶格的平面薄膜,因此前者有時也被稱作「白石墨」。只是就石墨烯而言,所有原子都是碳;而就六方氮化硼來說,每個六邊形晶格都包含 3 個硼原子和 3 個氮原子。

碳-碳鍵是自然界中最強的鍵之一,因此科學家預期石墨烯的強度和彈性都比六方氮化硼好,一般來說也沒錯:石墨烯極限拉伸強度約 130 GPa,彈性約 1.0 TPa;六方氮化硼強度約 100 GPa,彈性約 0.8 TPa,兩者數值接近,但六方氮化硼表現還是比石墨烯低了些。

▲ 在石墨烯和六方氮化硼材料中,原子排列在六邊形扁平晶格中,石墨烯所有原子都是碳,六方氮化硼則是 3 個氮原子和 3 個硼原子。

但在現實世界中,沒有任何材料毫無缺陷,科學家自 1920 年代以來,一直利用英國工程師 Alan Arnold Griffith 於二戰期間提出的斷裂力學(Fracture mechanics)來預測和定義材料的韌性(或抗裂紋擴展性),當施加在材料的應力大於將材料固定在一起的力時,裂紋就會擴大,且能量差異會在裂紋擴展中釋放。該理論在工程學中相當重要,它準確描述了材料在崩裂前可承受多少外力刺激。

7 年前,科學家依據該理論測量發現石墨烯的抗裂性偏低,若晶格上有裂縫,那麼只要一點負載就會破壞石墨烯材料;換句話說石墨烯也有非常脆弱的一面,只要有幾個原子「不健康」,石墨烯性能就會從非凡掉到平庸。

按照正常推理,六方氮化硼的抗裂性應該也與石墨烯相當,然而當研究人員去測試六方氮化硼時發現其抗裂性是石墨烯 10 倍,這表現太出乎意料,以至於無法用斷裂力學公式描述。

為解開這突兀謎題,研究團隊使用掃描電子顯微鏡(SEM)和穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)觀察六方氮化硼的裂紋如何產生,經過 1,000 多個小時的實驗與後續分析,他們終於發現問題,石墨烯與六方氮化硼再怎麼相似,終究存有細微差異。

▲ 二維材料六方氮化硼的抗裂韌性之所以那麼高,源自其原子結構(左)呈輕微不對稱,促使裂紋沿著分支路徑移動(右)。

在石墨烯中,裂紋傾向由上到下直線穿過對稱的六邊形結構,就像拉鍊一樣;但在六方氮化硼中,由於硼和氮之間的應力對比,導致六方氮化硼原子晶格結構略有不對稱,進一步促使裂縫有分叉和轉向的趨勢,而這也是讓六方氮化硼更具彈性的原因——材料透過使裂紋更難傳遞來強化自身,論文和著者、南洋理工大學材料學家 Huajian Gao 形容,這就像滑雪者在向前移動時失去平衡一樣。

已知六方氮化硼因優異的耐熱性、化學穩定性與介電特性,在電子應用中具有良好前景,既可作為支撐用基底,也可做為電子元件間的絕緣層。新研究除了揭開了材料的一種內在增韌機制外,或也可成為電子紡織品、植入物等技術的新選擇。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(圖片來源:萊斯大學

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