NTU 教授带你揭开世界上最坚韧材料背后的秘密

133天前     528

由南洋理工大学(NTU)和莱斯大学领导的科学家团队发现,常被认为脆弱的六边形氮化硼(h-BN)居然表现出惊人的坚韧性,而这与其化学成分紧密相关。该新发现挖掘出h-BN在电子产品生产中的巨大使用价值。

比石墨烯还坚韧

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近日,由南洋理工大学(NTU)和美国莱斯大学(Rice University) 领导的科学家团队,发现了六边形氮化硼(h-BN) 坚韧性突出的关键。h-BN可以承受的力是石墨烯的十倍,而石墨烯向来被视为地球上最坚硬的材料之一。相关研究成果于6月2日以 “Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride” 为题,发表在国际顶级期刊《自然》(Nature)上!

作为一种二维材料,h-BN 的厚度仅为一个原子。它于 20世纪40年代首次用于化妆品生产,但很快就因为成本高昂而被放弃。随着技术的发展,其生产成本不断降低并得以在90年代后期重新兴起。

今天,h-BN几乎被所有领先的化妆品生产商使用,因为它能够吸收多余的面部皮脂和均匀地分散色素,而且作为二维电子(2D electronics)保护层,它对电绝缘并能承受1000 °C 的高温。

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计算机模拟显示了h-BN是如何断裂的。

NTU和莱斯大学的科学家们表示,他们对该化合物独特性质的新发现可以为设计新的柔性电子材料铺平道路。

当科学家观察应力作用下的h-BN时,他们发现材料中的任何断裂都会像道路分岔一样分叉,而非直接穿过材料(参见上图)。这意味着 h-BN 的断裂在施加进一步的压力时不太可能增长。

研究的重要意义

领导这项研究的NTU机械与航空航天工程学院杰出教授高华建教授(Gao Huajian)详细阐述了该发现的重要性。他表示:“我们的实验表明 h-BN 是迄今为止测量到的最坚韧的纳米材料。这项工作之所以如此令人兴奋,是因为它揭示了这种材料的内在增韧机制(intrinsic toughening mechanism)——它本应是脆弱的,毕竟它的厚度仅为一个原子。这是出乎意料的,因为纳米材料的强度和脆弱性之间经常存在权衡关系(trade-off)。”

这一最新研究突破是高华建教授在应用力学领域的又一成就。他最近被美国机械工程师协会授予了著名的2021 年铁木辛柯奖章(The Timoshenko Medal:应用力学的最高荣誉),以表彰他对工程与生物系统纳米力学(Nanomechanics of engineering and biological systems:固体力学、材料科学和生物物理学相结合的新兴研究领域)的开创性贡献。

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NTU机械与航空航天工程学院高华健教授

莱斯大学材料科学与纳米工程系 (Department of Materials Science and NanoEngineering) 的娄俊教授 (Lou Jun) 也是这项研究的负责人,他表示:“在真实世界中,没有任何材料是没有缺陷的,这就是了解断裂韧性(fracture toughness)或者抗裂纹扩展性(resistance to crack growth),在工程学中如此重要的原因。它描述了真实世界中的材料在失败之前可以承受多少惩罚 (punishment)。”

揭开h-BN超强韧性的奥秘

经过1,000 多个小时的实验和计算机模拟,科学家们将石墨烯和六边形氮化硼断裂韧性的巨大不同追溯至它们的化学成分。

从结构上来看,h-BN 和石墨烯都呈互连六边形排列,就像蜂窝一样 (参见图3)。不同的是,在石墨烯中,所有原子都是碳,而在h-BN中,每个六边形都由三个氮原子和三个硼原子组成

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六边形结构

这种成分差异导致h-BN中的运动裂纹偏离其路径,而这种分叉或转向的倾向(tendency to branch or turn) 意味着裂纹需要更多的能量才能被进一步推进。相较之下,石墨烯更容易断裂,因为裂缝会像拉链一样直接贯穿材料。

神奇的技术应用

研究人员表示,h-BN令人惊叹的韧性使其成为制造抗裂柔性电子产品(如可穿戴医疗设备和可折叠智能手机)的理想选择。此外,还可以通过添加它来增强由2D材料制成的电子产品,因为2D材料往往很脆弱。

除了坚韧之外,h-BN优异的耐热性和化学稳定性让其与电子产品中的其他传统材料区分开来,它既能做支撑基底,又能充当电子元件之间的绝缘层。

高华建教授详细阐述了该研究在未来的应用:“我们的研究结果还指出了通过在设计中加入结构不对称性来生产坚韧材料的新途径。这将会降低材料在极端压力下断裂的可能性,从而避免材料断裂引致设备失效所带来的灾难性后果。”

娄俊教授补充道:“h-BN等基于2D材料的电子产品(2D material-based electronics like h-BN),其利基市场是柔性电子设备。除了电子纺织品等应用外,2D电子设备足够的薄,还可以有更奇特的应用,例如电子纹身和直连大脑的植入物。

科学家们正利用他们的发现来探索为机电制造生产更坚韧材料的新方法。

图片来源:NTU官网

参考文献:

1. "Scientists from NTU Singapore and Rice University uncover secretbehind one of the world’s toughest materials" NTU Media Release;

2. Paper titled ‘Intrinsic Toughening and Stable Crack Propagation in Hexagonal Boron Nitride’ published in Nature, 2 June, 2021.

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