單層石墨很強硬也很“脆弱”
2014-05-04 22:19:21 本站原創單層石墨是一種非常神奇的材料，它可以導電，且強度是鋼鐵的上百倍。然而，近日科學家們對單層石墨樣本的測試表明，雖然這種材料可能是當今存在的最強硬的材料，但它同時也很脆弱，就像陶瓷一樣。為什么呢?原因在于它容易破裂。
石墨(資料圖)
美國萊斯大學和佐治亞理工學院的一組科學家們測試了小片“雙層”石墨——兩個相當于單原子厚度的純碳薄片彼此堆疊。科學家們利用聚集的離子束照射它們使得它們產生微小的裂縫。隨后拖拉和扭轉這一石墨，以觀察這些裂縫擴張的速率，直到材料最終斷裂。
“單層石墨對裂縫的存在非常敏感。相比之下，倘若鋼鐵里存在一個小裂縫，那還不是特別危險。鋼鐵具有巨大的裂紋擴張阻力。單層石墨則更像窗戶的玻璃。”研究首席作者、佐治亞理工學院機械工程系副教授朱婷(Ting Zhu)這樣說道。
對材料抵抗裂縫能力——也就是斷裂韌性——的測量不僅僅包括抗拉強度——也就是指當材料被拉伸時它斷裂的可能性，它還測量了當一種特定材料被扭曲時，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一定的極限，它便會迅速斷裂。即使是一個小裂縫也足以導致玻璃碎裂。
朱教授和萊斯大學的婁俊(Jun Lou)合作進行的研究發現，有裂縫的單層石墨斷裂的可能性是鋼鐵的10倍，且此時它的斷裂韌性更接近于氧化鋁或者碳化硅基陶瓷。相對較低的斷裂韌性意味著一片單層石墨里一個小裂縫就足以摧毀它。這樣小的裂縫很可能是制造石墨時自然產生的結果。
石墨的制造方式有好幾種，其中包括化學氣相沉淀法，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。第一個方法產生的石墨層可以很大，但是并不完美。這種方法產生的碳原子晶格會有很小的缺陷——到處都可能發生一個原子的缺失。如果將單層石墨用作導體或者半導體的話，這種缺陷并不會造成太大的影響。但是倘若用于機械應用，例如制造靈活的顯示器或者提升其它材料的結構強度，那么這種缺陷產生的影響不容忽視。
完美的單層石墨在斷裂前能夠經受100吉帕的壓力，大約相當于1000000倍的大氣壓。但有缺陷的單層石墨的斷裂強度大約只有前者的十萬分之一，它僅能夠經受4兆帕的壓力，也就是40倍標準大氣壓。這項實驗不僅對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，因為其它二維結構的材料可能也具有相似的特性。“這項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。”朱教授這樣說道。這項研究被發表在4月29日的期刊《自然通信》上。
