美科学家发现单层石墨脆弱易破裂

    北京时间5月4日消息，雅虎新闻报道，单层石墨是一种非常神奇的材料，它可以导电，且强度是钢铁的上百倍。然而，近日科学家们对单层石墨样本的测试表明，虽然这种材料可能是当今存在的最强硬的材料，但它同时也很脆弱，就像陶瓷一样。为什么呢？原因在于它容易破裂。

    美国莱斯大学和佐治亚理工学院的一组科学家们测试了小片“双层”石墨——两个相当于单原子厚度的纯碳薄片彼此堆叠。科学家们利用聚集的离子束照射它们使得它们产生微小的裂缝。随后拖拉和扭转这一石墨，以观察这些裂缝扩张的速率，直到材料最终断裂。

    “单层石墨对裂缝的存在非常敏感。相比之下，倘若钢铁里存在一个小裂缝，那还不是特别危险。钢铁具有巨大的裂纹扩张阻力。单层石墨则更像窗户的玻璃。”研究首席作者、佐治亚理工学院机械工程系副教授朱婷（Ting Zhu）这样说道。

    对材料抵抗裂缝能力——也就是断裂韧性——的测量不仅仅包括抗拉强度——也就是指当材料被拉伸时它断裂的可能性，它还测量了当一种特定材料被扭曲 时，它在断裂之前所能忍受的“惩罚”。例如金属是可延展的，你需要反复扭曲弯曲才能折断一根汤匙。玻璃能够抵抗扭曲，但它不具有延展性，因此如果扭曲力或 者拉伸力超过一定的极限，它便会迅速断裂。即使是一个小裂缝也足以导致玻璃碎裂。

    朱教授和莱斯大学的娄俊（Jun Lou）合作进行的研究发现，有裂缝的单层石墨断裂的可能性是钢铁的10倍，且此时它的断裂韧性更接近于氧化铝或者碳化硅基陶瓷。相对较低的断裂韧性意味 着一片单层石墨里一个小裂缝就足以摧毁它。这样小的裂缝很可能是制造石墨时自然产生的结果。

    石墨的制造方式有好几种，其中包括化学气相沉淀法，也就是碳蒸汽逐渐冷却并使碳原子停留在表面，以及剥落法，也就是将剥离了单层石墨的石墨被放入 溶剂里。第一个方法产生的石墨层可以很大，但是并不完美。这种方法产生的碳原子晶格会有很小的缺陷——到处都可能发生一个原子的缺失。如果将单层石墨用作 导体或者半导体的话，这种缺陷并不会造成太大的影响。但是倘若用于机械应用，例如制造灵活的显示器或者提升其它材料的结构强度，那么这种缺陷产生的影响不 容忽视。

    完美的单层石墨在断裂前能够经受100吉帕的压力，大约相当于1000000倍的大气压。但有缺陷的单层石墨的断裂强度大约只有前者的十万分之 一，它仅能够经受4兆帕的压力，也就是40倍标准大气压。这项实验不仅对于研究单层石墨非常重要，它可能为其它研究提供非常重要的参考，因为其它二维结构 的材料可能也具有相似的特性。“这项研究里所使用的建模方式或可以用于研究其它2D材料，例如二硫化铝或者氮化硼。”朱教授这样说道。这项研究被发表在4 月29日的期刊《自然通信》上。