二維材料究竟是如何斷裂的？

材料牛注：二維材料作為現今材料學界的熱門方向，有著廣闊的應用前景。但對二維材料的探索人類還有很長的路要走，比如，你知道二維材料的斷裂機制嗎？IBS科研團隊的最新發現為我們揭開了它的神秘面紗。

許多科學家提出，若想理解纖薄的二維材料究竟是如何斷裂的，我們就得探索得比現有理論更遠。

AsianScientist（2017年2月13日）消息，基礎科學研究所（IBS）綜合納米結構物理中心(CINAP)的科學家們首次觀察到二維二硫化鉬（MoS2）的斷裂。目前他們已將該發現發表在Nature Communications期刊上，他們的發現有望用于指導設計新的二維材料。

如今，應用MoS2等二維材料已被看作未來電子及光電器件領域的重要發展方向。然而可以預見的是，二維材料的機械性質與我們常見的三維材料大相徑庭。特別是我們難以應用現今的理論去預測和解釋二維材料斷裂的嚴重性及斷口形狀。

金等延展性較好的材料可在斷裂前發生較大應變，而玻璃等脆性材料在突然斷裂之前只能吸收相對較小的能量，且基本沒有伸展和變形。在納米尺度下，延性材料中的原子運動比脆性材料中的更為自由，因此在外部施加拉力（拉伸應力）的情況下，這些原子可能離開原本有序的晶格，即材料專業術語中的位錯。這就是格里菲斯模型，它從誕生之日起已被人們應用于解釋大量材料斷裂現象，但其正確性仍缺少原子或納米尺度的實驗數據支持。

在上述研究中，IBS的科學家們觀察到了二維MoS2上自然形成或經電子束穿孔形成的裂紋是如何擴展的。該研究論文的第一作者Ly Thuc Hue博士向我們闡述：“我們在進行試驗時遇到的最大困難在于如何使電子束僅能穿孔、而不導致材料產生其他缺陷又或是使材料被破壞。所以我們只能迅速完成操作，并使用盡可能低的能量。”

這個研究采用透射電鏡對原子進行實時觀察。盡管MoS2是一種脆性材料，但令人驚訝的是，研究團隊依舊在距離它的裂紋前沿或裂紋尖端3-5nm的地方觀察到了原子位錯的存在。這個現象顯然不能用格里菲斯模型來解釋。

為模擬自然條件下的開裂，研究團隊將二維MoS2樣品暴露在紫外光下，使其氧化，由此加速原子位錯形成，并使拉伸區域擴展至距裂紋尖端5-10nm處。

“我們的研究表明，二維材料的開裂與三維脆性或韌性材料的開裂在本質上是不同的，”CINAP教授Lee Young Hee對此解釋道，“這些現象無法再用常規的材料失效理論來解釋，所以我們認為很有必要為之建立一套新的理論體系。”

感興趣的讀者可以自行閱讀關于該項研究的論文，文獻題目為： Dynamical Observations on the Crack Tip Zone and Stress Corrosion of Two-dimensional MoS2。

原文鏈接：How Do 2D Materials Crack?

文獻鏈接：Dynamical Observations on the Crack Tip Zone and Stress Corrosion of Two-dimensional MoS2

本文由編輯部月亮提供素材，唐思哲編譯，雪琰審核，點我加入材料人編輯部。

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