顛覆斷裂力學 電子領域前景可期 白石墨 韌性遠勝石墨烯

編譯/韋士塔  |2021.06.19
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編譯/韋士塔

研究人員近來發現一種物理性質與石墨烯(graphene)類似的二維材料「六方氮化硼」(hexagonal boron nitride,h-BN),韌性遠勝石墨烯,可能有助突破科學研究的瓶頸。

石墨烯早已在科學界引發研究熱潮,這種神奇的二維材料是目前發現電阻率最小、導電性最佳的物質。科學家認為,石墨烯可被廣泛應用於電子科技、網路通訊、潔淨能源、生物醫學、航太軍事、複合材料以及智慧住家等領域。

發表於《自然》(Nature)期刊的研究報告指出,六方氮化硼與石墨烯非常相似,都是由原子構成六邊形蜂巢晶格的平面薄膜,因此也被稱作「白石墨」;兩者的差別在於,石墨烯所有六方晶格原子都是碳,但六方氮化硼的每個六邊形晶格都包含3個硼原子和3個氮原子。

美國萊斯大學(Rice University)材料科學家羅俊(Jun Lou,音譯)表示,石墨烯的特性包括導電速度快,且強度比鋼高100倍,並有極佳的透光性、導熱性和韌性。但研究團隊發現,六方氮化硼的抗裂性竟比石墨烯高10倍,難以用「斷裂力學」(fracture mechanics)解釋。

英國工程師葛瑞福斯(Alan Arnold Griffith )在1920年代提出的「斷裂力學」,被許多科學家用來預測和定義材料的韌性;當施加在材料的應力,大於將材料固定在一起的力量時,裂紋將會擴大。一般認為,這個理論可準確描述材料在崩裂前能承受多少外力。

科學家依據這個理論測量石墨烯,發現石墨烯的抗裂性偏低;也就是說,一旦晶格上出現裂縫,只要施加一些力量就會破壞石墨烯的結構。科學家也據此推論,六方氮化硼的強度和彈性應該和石墨烯類似,但研究人員實際測試六方氮化硼時,卻出現難以解釋的詭異現象,他們發現,六方氮化硼非常不易破裂,完全顛覆了斷裂力學。

為了找出合理解釋,研究團隊耗費相當長的時間反覆進行實驗,使用掃描式電子顯微鏡(SEM)和穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察石墨烯核六方氮化硼的裂紋,終於發現具體原因:兩種材料的裂紋型態不同。

石墨烯的裂紋,主要是由上到下,垂直穿過對稱的六邊形結構,有如拉鍊;但六方氮化硼受力時,由於硼和氮之間的應力對比,導致六方氮化硼原子晶格結構略有不對稱,使裂縫分叉、轉向,也因此更具彈性。

羅俊表示:「這種材料很驚人,沒有人預期二維材料會出現這種現象。裂縫分叉、轉向時,會消耗額外的能量,讓,六方氮化硼也因此更具韌性裂縫更難以擴展。」

科學家表示,六方氮化硼原本被認為是脆弱的材料,但最新研究揭開這種材料的韌化機制,再加上優異的耐熱性、化學穩定性,讓六方氮化硼在電子領域的前景可期,可能有助電子紡織、黏貼式電子刺青或植入等科技的發展。

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