六方氮化硼 (h-BN)是一種二維層狀寬帶隙絕緣材料，具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，被廣泛用作電子器件中。從結(jié)構(gòu)上來看，六方氮化硼和石墨烯十分相似，都由原子的排列在互連六邊形的平面晶格組成。唯一不同的是，在石墨烯中，所有原子都是碳，而在 h-BN 中，每個六邊形都包含三個氮原子和三個硼原子。碳-碳鍵是自然界中最強的鍵之一，因此理論上石墨烯要比 h-BN 堅固得多。雖然這兩種材料的強度和彈性模量差不多，但 h-BN 略低：石墨烯的強度約為130 GPa，楊氏模量約為1.0 TPa；而h-BN 的強度和模量則分別為 100 GPa和 0.8 TPa。然而，在現(xiàn)實世界中，沒有材料是沒有缺陷的，石墨烯也是如此。盡管它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但是石墨烯的抗裂性較低。換而言之，石墨烯很脆！1921年，英國工程師格里菲斯發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的斷裂力學(xué)理論研究，描述了脆性材料的失效，以及材料中裂紋的大小與使裂紋擴(kuò)展所需的力之間的關(guān)系。百年來，科學(xué)家和工程師們一直都在使用這個理論來預(yù)測和定義材料的韌性。2014年，美國萊斯大學(xué)婁俊教授團(tuán)隊的研究表明，石墨烯的斷裂韌性與格里菲斯的斷裂力學(xué)理論一致：當(dāng)施加在石墨烯上的應(yīng)力大于將其固定在一起的力時，裂紋會擴(kuò)展；并且能量的差異在裂紋的擴(kuò)展中被釋放。鑒于 h-BN 與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似，人們認(rèn)為它同樣也很脆。然而，事實并非如此。違背百年斷裂力學(xué)理論！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)h-BN比石墨烯的韌性高10倍近日，來自美國萊斯大學(xué)婁俊教授和新加坡南洋理工大學(xué)高華健院士（美國科學(xué)院院士、美國工程院院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、德國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院外籍院士、歐洲科學(xué)院院士）的聯(lián)合團(tuán)隊在《Nature》發(fā)文稱，他們發(fā)現(xiàn)：常識中認(rèn)為脆性的h-BN居然表現(xiàn)出超強的抗裂性（即韌性），是石墨烯的10倍！這個發(fā)現(xiàn)與格里菲斯的斷裂理論背道而馳，而且此前從未在二維材料中觀察到這種異常現(xiàn)象。相關(guān)研究成果以“Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上！為了找出原因，研究團(tuán)隊對 h-BN 樣品施加應(yīng)力，使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡盡可能地觀察裂紋是如何發(fā)生的。在經(jīng)過 1,000 多個小時的實驗和后續(xù)理論分析后，他們發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘。圖2. SEM觀察預(yù)裂化單層 h-BN 的斷裂和穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展。雖然石墨烯和h-BN結(jié)構(gòu)上可能相似，但硼和氮原子不一樣，所以在h-BN中的六方晶格本征存在不對稱排列，與石墨烯中的碳六邊形不同。簡單來說，在石墨烯中，裂紋傾向于從上到下直線穿過對稱的六邊形結(jié)構(gòu)，像拉鏈一樣打開粘合。由于硼和氮之間的應(yīng)力對比，h-BN 的六邊形結(jié)構(gòu)略有不對稱，這種晶格的固有不對稱性會導(dǎo)致裂紋分叉，形成分支。而如果裂紋是分叉的，那就意味著它正在轉(zhuǎn)動。這種轉(zhuǎn)向裂紋的存在需要花費額外的能量來進(jìn)一步推動裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致裂紋更難以傳播，有效地增強了材料的韌性?！?這就是h-BN表現(xiàn)出超越石墨烯的彈性的原因。圖4. h-BN樣品中的裂紋擴(kuò)展和有效能量釋放率。由于具有優(yōu)異的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和介電特性，h-BN已經(jīng)成為二維電子和其他二位器件的極其重要的材料，不僅可以作為支撐基底，還可以作為電子元件之間的絕緣層。而如今， h-BN 令人驚訝的韌性使其成為柔性電子產(chǎn)品的理想選擇，并且對開發(fā)用于二維電子等應(yīng)用的柔性 2D 材料具有重要意義。新加坡南洋理工大學(xué)高華建院士表示：“這項工作令人驚訝的同時又令人興奮，因為它揭示了一種據(jù)稱非常脆的材料的內(nèi)在增韌機制?！?/strong>“顯然，即使是格里菲斯也無法預(yù)見兩種具有相似原子結(jié)構(gòu)的脆性材料的斷裂行為會有如此大的差異?！?/section>未來，除了柔性電子紡織品應(yīng)用以外，具有超強韌性的h-BN還可以用做柔性電子皮膚和可以直接連接到大腦的可植入電子器件。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
