莱斯大学娄俊教授团队开发出韧性是石墨烯8倍的新型 2D 碳材料

莱斯大学（Rice University）娄俊教授及其合作者在《物质》（Matter）杂志上发表的研究报告称，一种由新加坡国立大学最近合成的材料 —— 单层非晶碳（MAC），其韧性是石墨烯的 8 倍。

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即使是最坚固的材料，在压力下也可能断裂，这给材料科学家带来了挑战。石墨烯和其他碳基材料强度很高，但它们容易出现快速的裂纹扩展，这使得它们很容易突然失效。

单层非晶碳（MAC）是一种新开发的具有高强度和高耐久性的碳材料。和石墨烯一样，MAC 是一种二维、单原子厚度的材料。然而，石墨烯具有结晶六边形晶格结构，而 MAC 则由结晶区域和非晶区域组成，形成了一种复合结构。

MAC 的韧性归因于这种复合结构，这表明复合设计方法有助于减轻二维材料的脆性。

这种独特的设计可以防止裂纹轻易扩展，使材料在断裂前能够吸收更多能量。—— 邦基・申（Bongki Shin），该研究第一作者、莱斯大学材料科学与纳米工程专业研究生。

这一进展对二维材料意义重大，二维材料被应用于可穿戴技术、高容量储能、先进传感器以及改良电子设备等领域。然而，这些材料的脆性限制了它们的实际应用。要进一步挖掘其性能，就必须应对这一挑战。

增强二维纳米材料韧性有两种方法：一种是在薄膜中加入增强纳米结构，这被称为外在增韧；另一种是改变材料的内部结构，即内在增韧。MAC 的面内结构是由嵌入非晶基体中的结晶区域构成，这为评估纳米复合材料的断裂韧性提供了一个理想模型。

“我们认为这种基于结构的增韧策略也适用于其他二维材料，所以这项研究为先进材料设计开辟了令人振奋的可能性。”—— 娄俊（Jun Lou），莱斯大学材料科学与纳米工程教授、该研究通讯作者。

莱斯大学的研究人员利用扫描电子显微镜进行原位拉伸测试，实时观察裂纹的形成和扩展。这使他们能够直接研究 MAC 纳米复合材料的结构是如何抑制裂纹扩展的。

与此同时，由马库斯・比勒（Markus Buehler）领导的麻省理工学院研究团队，利用分子动力学模拟在原子尺度上对该材料进行分析。这些模拟揭示了结晶区域和非晶区域的组合是如何影响断裂能的。

“以前从未有人这样做过，因为在原子尺度上制备和成像超薄无序材料极具挑战性。不过，得益于纳米材料合成和高分辨率成像技术的最新进展，我们找到了一种在不增加额外层的情况下提高二维材料韧性的新方法。”——Yimo Han，莱斯大学材料科学与纳米工程助理教授；

这项研究由新加坡教育部、新加坡国家研究基金会竞争性研究计划、韦尔奇基金会以及美国能源部资助。

Journal Reference:

Shin, B., et al. (2025) Intrinsic toughening in monolayer amorphous carbon nanocomposites. Matter. doi.org/10.1016/j.matt.2025.102000

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