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受限于二維 (2D) 幾何結(jié)構(gòu)，二維材料中的裂紋在室溫下具有最小塑性的脆性行為。脆性裂紋通常由表面的應(yīng)力集中點(diǎn)引起，因此表面彈性特性可以調(diào)節(jié)裂紋的發(fā)生。斷裂不僅僅是解理：當(dāng)晶體被解理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生斷裂表面，并且表面晶格會(huì)松弛，因?yàn)楸砻姹润w相具有更少的近鄰原子。由于電荷重新分布，這導(dǎo)致表面應(yīng)力和表面模量的值與體相不同。拉伸或壓縮表面應(yīng)力與施加在裂紋表面的負(fù)或正表面特征應(yīng)變有關(guān)。以往的研究集中在由相變觸發(fā)的等表面特征應(yīng)變包圍的裂紋尖端，在這種情況下獲得了雙邊對(duì)稱。這在脆性材料中稱為相變?cè)鲰g，并作為一種有效的增韌策略在脆性陶瓷中廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于不對(duì)稱情況——當(dāng)裂紋表面之間的表面應(yīng)力存在很大差異時(shí)，我們知之甚少。

表面彈性效應(yīng)在塊狀材料中幾乎可以忽略不計(jì)。然而，在具有大比表面積的低維結(jié)構(gòu)中，例如納米粒子 (0D)、納米線 (1D) 和原子薄片 (2D)，這種效應(yīng)可能很重要。實(shí)驗(yàn)觀察和相場分析已經(jīng)證實(shí)，當(dāng) Al 納米顆粒的尺寸低于 20 nm 時(shí)，表面應(yīng)力誘導(dǎo)的預(yù)熔化會(huì)在其熔化溫度以下出現(xiàn)。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬的研究結(jié)果，當(dāng)金納米線的橫截面積減小到 4 nm時(shí)，表面應(yīng)力可以在金納米線中產(chǎn)生自發(fā)相變（從面心立方到體心四方）。在石墨烯等二維材料中，由于邊緣應(yīng)力的存在（類似于塊狀晶體中的表面應(yīng)力），會(huì)發(fā)生邊緣不穩(wěn)定。盡管石墨烯具有超高的內(nèi)在強(qiáng)度（約130吉帕）和彈性模量（約1.0 兆帕），但很脆，斷裂韌性低（每平方根米約4 兆帕）。

六方氮化硼 (h-BN) 是一種介電二維材料，具有與石墨烯相似的高強(qiáng)度（約100 吉帕）和彈性模量（約0.8 太帕）。根據(jù)格里菲斯定律，長期以來，h-BN的斷裂行為一直被認(rèn)定為具有類似于石墨烯的脆性。

然而，與之相反，萊斯大學(xué)婁軍和新加坡高性能計(jì)算研究所高華健院士（美國工程院院士，中國科學(xué)院外籍院士，美國科學(xué)院院士，美國人文與科學(xué)院院士）等報(bào)告了單層 h-BN 的優(yōu)異斷裂韌性，并提出了由其晶格結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性引起的新增韌機(jī)制。h-BN 的有效能量釋放率比格里菲斯能量釋放率和石墨烯的能量釋放率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員在單層h-BN中觀察到穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展，并獲得相應(yīng)的抗裂性曲線。由于裂紋尖端的不對(duì)稱邊緣彈性特性和裂紋擴(kuò)展過程中的邊緣交換，裂紋的撓度和分叉會(huì)反復(fù)發(fā)生，這從本質(zhì)上增強(qiáng)了材料的韌性，使裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。。該研究的原位實(shí)驗(yàn)觀察得到理論分析的支持，表明單層h-BN增加了實(shí)際效益和潛在的新技術(shù)機(jī)會(huì)，如為二維器件增加機(jī)械保護(hù)。

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圖1：無預(yù)裂紋單層h-BN試樣的原位拉伸試驗(yàn)

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圖2：預(yù)裂單層 h-BN 的斷裂和穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展

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圖3：h-BN 和石墨烯中的裂紋萌生

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圖4：裂紋擴(kuò)展和有效能量釋放率

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

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