硼烯晶体:至坚、至柔、至韧

自石墨烯问世以来,单原子层的二维材料迅速掀起了巨大的研究热潮。由于维度的降低,二维材料拥有惊人的力学性质。例如,石墨烯是迄今报道最强的材料,理想情况下杨氏模量可达到1 TPa,比强度几乎是高强钢的100倍。这使得二维材料被广泛考虑用作先进复合材料的增强剂。同时,二维材料因原子级厚度而具有优异的柔性,很容易发生弯曲、褶皱、折叠等变形。结构的超柔性,加上丰富的功能性,也使二维材料成为制造新型柔性器件的理想材料。然而,现有二维材料普遍坚有余而韧不足,大多倾向于发生脆性断裂,且随着材料厚度的增加结构柔性度呈指数下降。寻找新的集坚、柔、韧于一体的纳米材料一直是微纳机械系统领域的目标。

硼在元素周期表中与碳相邻。早期理论预测硼可形成类似于石墨烯的单原子层晶体,即硼烯。然而,硼烯具有丰富的多型结构,其合成需使用合适的金属基底,比如银、铜等。受理论启发,最近的两个独立实验成功在银基底上合成了单原子层的硼烯,且表征的原子结构与前期理论预测一致。因为硼质量上比碳更轻,硼烯有可能是更轻质的复合材料增强剂。另外,硼烯由多中心键构筑而成,不同于一般二维材料中的两中心共价键。因为这些特点,硼烯的力学性质显得格外引人注目,但一直没有系统的研究报道。

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南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室张助华教授与美国莱斯大学材料科学与纳米工程系讲习教授Boris I. Yakobson合作,利用系统的第一性原理计算发现硼烯具有破纪录的结构柔性、优异的面内弹性和良好的断裂韧性。他们发现硼烯的抗弯刚度只有石墨烯的~25%,是二硫化钼的~5%,单它的面内比模量可达到石墨烯的76%。硼烯因此具有所有二维材料中最高的福波-冯卡门参数,成为最易弯却抗拉的材料。此外,硼烯的拉伸强度约为石墨烯的45%。但最特别的是,硼烯在达到临界强度之后结构并不像一般材料直接破坏,而是发生结构相变并重新恢复抗拉能力,使得它具有罕见的断裂韧性。这是因为硼烯的多中心键特性导致材料在变形过程中化学键容易发生转动,以致原子可以重组形成新的稳定晶格。硼烯的上述力学性质还可以通过控制其中的六边形孔洞密度加以调制,而没有孔洞的硼烯甚至比石墨烯还硬。

此项研究充分揭示了硼烯在设计高强高韧复合材料等方面的应用潜力,并为它今后用于制造先进柔性器件和纳机电系统打下了理论基础。硼烯特殊的结构与化学蕴含着更多未知的性质,尚待进一步挖掘。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201605059)上。论文作者还包括博士生杨旸和研究科学家Evgeni S. Penev博士。