單層石墨很強(qiáng)硬也很“脆弱”

單層石墨是一種非常神奇的材料，它可以導(dǎo)電，且強(qiáng)度是鋼鐵的上百倍。然而，近日科學(xué)家們對(duì)單層石墨樣本的測(cè)試表明，雖然這種材料可能是當(dāng)今存在的最強(qiáng)硬的材料，但它同時(shí)也很脆弱，就像陶瓷一樣。為什么呢?原因在于它容易破裂。

石墨(資料圖)

美國(guó)萊斯大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的一組科學(xué)家們測(cè)試了小片“雙層”石墨——兩個(gè)相當(dāng)于單原子厚度的純碳薄片彼此堆疊。科學(xué)家們利用聚集的離子束照射它們使得它們產(chǎn)生微小的裂縫。隨后拖拉和扭轉(zhuǎn)這一石墨，以觀察這些裂縫擴(kuò)張的速率，直到材料最終斷裂。

“單層石墨對(duì)裂縫的存在非常敏感。相比之下，倘若鋼鐵里存在一個(gè)小裂縫，那還不是特別危險(xiǎn)。鋼鐵具有巨大的裂紋擴(kuò)張阻力。單層石墨則更像窗戶的玻璃。”研究首席作者、佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授朱婷(Ting Zhu)這樣說(shuō)道。

對(duì)材料抵抗裂縫能力——也就是斷裂韌性——的測(cè)量不僅僅包括抗拉強(qiáng)度——也就是指當(dāng)材料被拉伸時(shí)它斷裂的可能性，它還測(cè)量了當(dāng)一種特定材料被扭曲時(shí)，它在斷裂之前所能忍受的“懲罰”。例如金屬是可延展的，你需要反復(fù)扭曲彎曲才能折斷一根湯匙。玻璃能夠抵抗扭曲，但它不具有延展性，因此如果扭曲力或者拉伸力超過(guò)一定的極限，它便會(huì)迅速斷裂。即使是一個(gè)小裂縫也足以導(dǎo)致玻璃碎裂。

朱教授和萊斯大學(xué)的婁俊(Jun Lou)合作進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，有裂縫的單層石墨斷裂的可能性是鋼鐵的10倍，且此時(shí)它的斷裂韌性更接近于氧化鋁或者碳化硅基陶瓷。相對(duì)較低的斷裂韌性意味著一片單層石墨里一個(gè)小裂縫就足以摧毀它。這樣小的裂縫很可能是制造石墨時(shí)自然產(chǎn)生的結(jié)果。

石墨的制造方式有好幾種，其中包括化學(xué)氣相沉淀法，也就是碳蒸汽逐漸冷卻并使碳原子停留在表面，以及剝落法，也就是將剝離了單層石墨的石墨被放入溶劑里。第一個(gè)方法產(chǎn)生的石墨層可以很大，但是并不完美。這種方法產(chǎn)生的碳原子晶格會(huì)有很小的缺陷——到處都可能發(fā)生一個(gè)原子的缺失。如果將單層石墨用作導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的話，這種缺陷并不會(huì)造成太大的影響。但是倘若用于機(jī)械應(yīng)用，例如制造靈活的顯示器或者提升其它材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，那么這種缺陷產(chǎn)生的影響不容忽視。

完美的單層石墨在斷裂前能夠經(jīng)受100吉帕的壓力，大約相當(dāng)于1000000倍的大氣壓。但有缺陷的單層石墨的斷裂強(qiáng)度大約只有前者的十萬(wàn)分之一，它僅能夠經(jīng)受4兆帕的壓力，也就是40倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)于研究單層石墨非常重要，它可能為其它研究提供非常重要的參考，因?yàn)槠渌S結(jié)構(gòu)的材料可能也具有相似的特性。“這項(xiàng)研究里所使用的建模方式或可以用于研究其它2D材料，例如二硫化鋁或者氮化硼。”朱教授這樣說(shuō)道。這項(xiàng)研究被發(fā)表在4月29日的期刊《自然通信》上。