单层石墨很强硬也很“脆弱”

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。

 

石墨(资料图)

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。