突破性二維材料「單層無定形碳」問世，韌性遠超石墨烯八倍

材料科學領域近期迎來重大突破，一種名為「單層無定形碳」（Monolayer Amorphous Carbon，簡稱MAC）的新型碳基材料，正以其卓越的性能震撼學界。這項由新加坡國立大學（NUS）和萊斯大學（Rice University）科學家攜手合作的研究成果顯示，MAC 不僅擁有媲美石墨烯的超高強度，更具備石墨烯望塵莫及的韌性，其韌性高達石墨烯的八倍之多。

即便是最堅固的材料，在壓力下也難免產生裂痕，這一直是材料科學家一直努力想要克服的難題。石墨烯作為目前已知最堅硬的材料之一，雖然強度驚人，卻極易脆裂，一旦出現裂紋便會迅速擴展，導致整體結構崩潰。這大大限制了石墨烯在現實應用中的潛力。

兼具強度與韌性的完美結合

MAC的出現，成功打破了強度與韌性之間的矛盾。與石墨烯的原子排列成有序的六角形晶格不同，MAC是一種由結晶區域和非晶區域交織而成的複合材料。這種獨特的結構設計，賦予了MAC非凡的韌性。

「這種獨特的設計能有效阻止裂縫的擴展，使材料在斷裂前吸收更多的能量。」萊斯大學材料科學與奈米工程研究生、該研究的第一作者Bongki Shin（見下圖）解釋道。

（Source：Rice University，下同）

二維材料因其獨特的物理和化學性質，在電子產品、能源儲存、感測器和穿戴科技等領域具有廣闊的應用前景。然而，其固有的脆性一直是阻礙其廣泛應用的主要障礙。

為了克服這一挑戰，科學家們提出了兩種增韌策略：一是在薄膜中添加增強奈米結構（外在增韌），二是在材料平面內進行結構改性（內在增韌）。MAC的平面結構為研究奈米複合材料的斷裂韌性提供了一個理想的模型。

▲ Bongki Shin（左圖）在實驗室中操作微型操作器，該設備用於切割二維材料（右圖）。

結構增韌開啟材料設計新思路

「我們相信這種基於結構的增韌策略也適用於其他二維材料。」萊斯大學材料科學與奈米工程和化學教授、該研究的通訊作者Jun Lou表示。研究人員利用掃描電子顯微鏡內的原位拉伸測試，即時觀察了MAC中裂縫的形成和擴展過程。同時，麻省理工學院（MIT）的Markus Buehler教授領導的研究小組，則通過分子動力學模擬，從原子層面揭示了晶體和非晶區域的混合如何影響材料的斷裂能量。

「在原子尺度上創造和成像超薄、無序的材料極具挑戰性，這在以前是無法做到的。」萊斯大學材料科學與奈米工程助理教授、該研究的通訊作者Yimo Han表示，「得益於奈米材料合成和高解析度成像技術的最新進展，我們成功發現了一種無需添加額外層，即可使二維材料更堅韌的新方法。」

研究成果已發表於學術期刊《Matter》。

（首圖來源：shutterstock）