由南洋理工大學（NTU）和萊斯大學領導的科學家團隊發現，常被認為脆弱的六邊形氮化硼（h-BN）居然表現出驚人的堅韌性，而這與其化學成分緊密相關。該新發現挖掘出h-BN在電子產品生產中的巨大使用價值。
比石墨烯還堅韌
已發表文章
近日，由南洋理工大學(NTU)和美國萊斯大學(Rice University) 領導的科學家團隊，發現了六邊形氮化硼(h-BN) 堅韌性突出的關鍵。h-BN可以承受的力是石墨烯的十倍，而石墨烯向來被視為地球上最堅硬的材料之一。相關研究成果於6月2日以 「Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride」 為題，發表在國際頂級期刊《自然》（Nature）上！
作為一種二維材料，h-BN 的厚度僅為一個原子。它於 20世紀40年代首次用於化妝品生產，但很快就因為成本高昂而被放棄。隨著技術的發展，其生產成本不斷降低並得以在90年代後期重新興起。
今天，h-BN幾乎被所有領先的化妝品生產商使用，因為它能夠吸收多餘的面部皮脂和均勻地分散色素，而且作為二維電子（2D electronics）保護層，它對電絕緣並能承受1000 °C 的高溫。
計算機模擬顯示了h-BN是如何斷裂的。
NTU和萊斯大學的科學家們表示，他們對該化合物獨特性質的新發現可以為設計新的柔性電子材料鋪平道路。
當科學家觀察應力作用下的h-BN時，他們發現材料中的任何斷裂都會像道路分岔一樣分叉，而非直接穿過材料（參見上圖）。這意味著 h-BN 的斷裂在施加進一步的壓力時不太可能增長。
研究的重要意義
領導這項研究的NTU機械與航空航天工程學院傑出教授高華建教授（Gao Huajian）詳細闡述了該發現的重要性。他表示：「我們的實驗表明 h-BN 是迄今為止測量到的最堅韌的納米材料。這項工作之所以如此令人興奮，是因為它揭示了這種材料的內在增韌機制（intrinsic toughening mechanism）——它本應是脆弱的，畢竟它的厚度僅為一個原子。這是出乎意料的，因為納米材料的強度和脆弱性之間經常存在權衡關係（trade-off）。」
這一最新研究突破是高華建教授在應用力學領域的又一成就。他最近被美國機械工程師協會授予了著名的2021 年鐵木辛柯獎章（The Timoshenko Medal：應用力學的最高榮譽），以表彰他對工程與生物系統納米力學（Nanomechanics of engineering and biological systems：固體力學、材料科學和生物物理學相結合的新興研究領域）的開創性貢獻。
NTU機械與航空航天工程學院高華健教授
萊斯大學材料科學與納米工程系 (Department of Materials Science and NanoEngineering) 的婁俊教授 (Lou Jun) 也是這項研究的負責人，他表示：「在真實世界中，沒有任何材料是沒有缺陷的，這就是了解斷裂韌性(fracture toughness)或者抗裂紋擴展性(resistance to crack growth)，在工程學中如此重要的原因。它描述了真實世界中的材料在失敗之前可以承受多少懲罰 (punishment)。」
揭開h-BN超強韌性的奧秘
經過1,000 多個小時的實驗和計算機模擬，科學家們將石墨烯和六邊形氮化硼斷裂韌性的巨大不同追溯至它們的化學成分。
從結構上來看，h-BN 和石墨烯都呈互連六邊形排列，就像蜂窩一樣 (參見圖3)。不同的是，在石墨烯中，所有原子都是碳，而在h-BN中，每個六邊形都由三個氮原子和三個硼原子組成。
六邊形結構
這種成分差異導致h-BN中的運動裂紋偏離其路徑，而這種分叉或轉向的傾向(tendency to branch or turn) 意味著裂紋需要更多的能量才能被進一步推進。相較之下，石墨烯更容易斷裂，因為裂縫會像拉鏈一樣直接貫穿材料。
神奇的技術應用
研究人員表示，h-BN令人驚嘆的韌性使其成為製造抗裂柔性電子產品（如可穿戴醫療設備和可摺疊智慧型手機）的理想選擇。此外，還可以通過添加它來增強由2D材料製成的電子產品，因為2D材料往往很脆弱。
除了堅韌之外，h-BN優異的耐熱性和化學穩定性讓其與電子產品中的其他傳統材料區分開來，它既能做支撐基底，又能充當電子元件之間的絕緣層。
高華建教授詳細闡述了該研究在未來的應用：「我們的研究結果還指出了通過在設計中加入結構不對稱性來生產堅韌材料的新途徑。這將會降低材料在極端壓力下斷裂的可能性，從而避免材料斷裂引致設備失效所帶來的災難性後果。」
婁俊教授補充道：「h-BN等基於2D材料的電子產品(2D material-based electronics like h-BN)，其利基市場是柔性電子設備。除了電子紡織品等應用外，2D電子設備足夠的薄，還可以有更奇特的應用，例如電子紋身和直連大腦的植入物。
科學家們正利用他們的發現來探索為機電製造生產更堅韌材料的新方法。
圖片來源：NTU官網
參考文獻：
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.
