研究人员发现，一种二维碳材料比石墨烯更坚韧，并且能够抵抗裂纹——即使是在高压下形成的最强裂纹，这一直是材料科学家长期以来面临的难题。例如，石墨烯等碳衍生材料是地球上最坚固的材料之一，但一旦裂纹形成，它们会迅速扩展，导致材料容易突然断裂。
一种被称为单层无定形碳（MAC）的新型碳材料既坚固又韧性十足。根据莱斯大学科学家及其合作者发表在《Matter》期刊上的一项新研究，MAC的韧性是石墨烯的八倍。这种材料最近由新加坡国立大学（NUS）的Barbaros Özyilmaz团队成功合成。
与石墨烯一样，MAC也是一种二维或单原子厚度的材料。但与石墨烯的原子排列在有序（晶体）六边形晶格中不同，MAC是一种复合材料，包含晶体和无定形区域。正是这种复合结构赋予了MAC独特的韧性，表明复合设计方法可能是一种有效减少二维材料脆性的途径。
“这种独特的设计防止裂纹轻易扩展，使材料在断裂前能够吸收更多的能量，”该研究的第一作者、材料科学与纳米工程研究生Bongki Shin表示。
对于二维材料来说，这无疑是个好消息。这些材料在多个领域实现了变革性创新，从更快、更高效的电子设备到高容量能源存储、先进传感器和可穿戴技术。然而，要进一步发挥这些材料的卓越特性，材料科学家必须克服它们的脆性，而这一直限制着它们在现实中的应用。
为了增强二维纳米材料的韧性，可以采取两种方法：一种是向薄膜中添加增强纳米结构，这在研究中被称为“外在增韧”；另一种是在材料平面内引入改性，即“内在增韧”。MAC的平面结构为测试由有序（晶体）区域嵌入无序（无定形）基质中组成的纳米复合材料的断裂韧性提供了一个理想的案例研究。
“我们相信，这种基于结构的增韧策略可以适用于其他二维材料，因此这项工作为先进材料设计开辟了令人兴奋的可能性，”该研究的通讯作者、材料科学与纳米工程及化学教授Jun Lou表示。
莱斯大学的研究人员利用扫描电子显微镜进行原位拉伸测试，实时观察裂纹的形成和扩展过程。这使他们能够直接观察到MAC纳米复合结构如何抵抗裂纹扩展。麻省理工学院Markus Buehler领导的团队则进行了分子动力学模拟，从原子层面深入研究晶体和无定形区域的混合如何影响断裂能量。
“之前没有人做到这一点，因为在原子尺度上制造和成像超薄的无序材料极具挑战性，”该研究的通讯作者、材料科学与纳米工程助理教授Yimo Han表示。“然而，得益于纳米材料合成和高分辨率成像的最新进展，我们能够发现一种无需添加额外层即可增强二维材料韧性的新方法。”
