最新Nature：四院院士和Materials Today主编联手挑战经典！

受限于二维 (2D) 几何结构，二维材料中的裂纹在室温下具有最小塑性的脆性行为。脆性裂纹通常由表面的应力集中点引起，因此表面弹性特性可以调节裂纹的发生。断裂不仅仅是解理：当晶体被解理时，会产生断裂表面，并且表面晶格会松弛，因为表面比体相具有更少的近邻原子。由于电荷重新分布，这导致表面应力和表面模量的值与体相不同。拉伸或压缩表面应力与施加在裂纹表面的负或正表面特征应变有关。以往的研究集中在由相变触发的等表面特征应变包围的裂纹尖端，在这种情况下获得了双边对称。这在脆性材料中称为相变增韧，并作为一种有效的增韧策略在脆性陶瓷中广泛应用。然而，对于不对称情况——当裂纹表面之间的表面应力存在很大差异时，我们知之甚少。

表面弹性效应在块状材料中几乎可以忽略不计。然而，在具有大比表面积的低维结构中，例如纳米粒子 (0D)、纳米线 (1D) 和原子薄片 (2D)，这种效应可能很重要。实验观察和相场分析已经证实，当 Al 纳米颗粒的尺寸低于 20 nm 时，表面应力诱导的预熔化会在其熔化温度以下出现。根据分子动力学 (MD) 模拟的研究结果，当金纳米线的横截面积减小到 4 nm时，表面应力可以在金纳米线中产生自发相变（从面心立方到体心四方）。在石墨烯等二维材料中，由于边缘应力的存在（类似于块状晶体中的表面应力），会发生边缘不稳定。尽管石墨烯具有超高的内在强度（约130吉帕）和弹性模量（约1.0 兆帕），但很脆，断裂韧性低（每平方根米约4 兆帕）。

六方氮化硼 (h-BN) 是一种介电二维材料，具有与石墨烯相似的高强度（约100 吉帕）和弹性模量（约0.8 太帕）。根据格里菲斯定律，长期以来，h-BN的断裂行为一直被认定为具有类似于石墨烯的脆性。

然而，与之相反，莱斯大学娄军和新加坡高性能计算研究所高华健院士（美国工程院院士，中国科学院外籍院士，美国科学院院士，美国人文与科学院院士）等报告了单层 h-BN 的优异断裂韧性，并提出了由其晶格结构的不对称性引起的新增韧机制。h-BN 的有效能量释放率比格里菲斯能量释放率和石墨烯的能量释放率高一个数量级。研究人员在单层h-BN中观察到稳定的裂纹扩展，并获得相应的抗裂性曲线。由于裂纹尖端的不对称边缘弹性特性和裂纹扩展过程中的边缘交换，裂纹的挠度和分叉会反复发生，这从本质上增强了材料的韧性，使裂纹稳定扩展。。该研究的原位实验观察得到理论分析的支持，表明单层h-BN增加了实际效益和潜在的新技术机会，如为二维器件增加机械保护。

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图1：无预裂纹单层h-BN试样的原位拉伸试验

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图2：预裂单层 h-BN 的断裂和稳定的裂纹扩展

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图3：h-BN 和石墨烯中的裂纹萌生

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图4：裂纹扩展和有效能量释放率

Yang, Y., Song, Z., Lu, G. et al. Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride. Nature 594, 57–61 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03488-1

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