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
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）