眾所周知，二維材料具有極佳的機(jī)械屬性，除了楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度外，斷裂韌度也是非常重要的一個(gè)力學(xué)指標(biāo)，反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。

    第一作者：Changhong Cao, Sankha Mukherjee

    通訊作者：Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter

    第一單位：多倫多大學(xué)

    由于材料在實(shí)際應(yīng)用中都有固有缺陷，所以斷裂韌度在很多情況下更能反映材料的力學(xué)特性，而楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度非常高的材料，斷裂韌度并不一定同樣高， 例如，石墨烯被證明是迄今為止發(fā)現(xiàn)的楊氏模量和強(qiáng)度最高的材料，但其斷裂韌度只有約16 J/m²，低于某些傳統(tǒng)材料，而二維材料的脆性機(jī)械特性則是導(dǎo)致其斷裂韌度低的重要原因之一。

    大量研究表明，在二維材料中引入納米級(jí)別缺陷可以使材料塑性特性增強(qiáng)，進(jìn)而提高其斷裂韌度，但是，這種方法要求極高的實(shí)驗(yàn)技巧和昂貴的設(shè)備才能精準(zhǔn)的控制引入缺陷的大小及形狀，而且只能在非常小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)，很難成規(guī)模的應(yīng)用到二維材料中。

    有鑒于此，多倫多大學(xué)Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種化學(xué)手段改變機(jī)械特性的新策略，通過(guò)引入化學(xué)官能團(tuán)到二維材料中，并增加石墨烯的厚度，極大地提高了二維材料的塑性特性及斷裂韌度，并有望大規(guī)模低成本的廣泛應(yīng)用在二維材料應(yīng)用領(lǐng)域。

    研究人員利用透射電鏡，首先通過(guò)電子槍在多層氧化石墨烯上蝕刻了約其寬度10%的裂痕，之后通過(guò)MEMS器件在透射電鏡內(nèi)對(duì)有裂痕的氧化石墨烯進(jìn)行了原位拉伸測(cè)試，直至其完全斷裂。

    實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，多層氧化石墨烯對(duì)裂痕有抑制機(jī)制。裂痕開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)，并沒(méi)有像石墨烯一樣瞬間擴(kuò)展到薄膜邊緣，而是停在中間，在應(yīng)力進(jìn)一步加大后，裂痕才擴(kuò)展到薄膜邊緣，這種裂痕抑制機(jī)制是首次在二維材料中發(fā)現(xiàn)。

    另外，由于多層氧化石墨烯的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，所以格利菲裂痕定理不能被用來(lái)計(jì)算其斷裂韌性，團(tuán)隊(duì)在文中證明了對(duì)非線性二維材料應(yīng)用格利菲裂痕定理的不合理性，并指出非線性材料的斷裂韌性應(yīng)由Hutchinson及Rice提出的J-積分理論來(lái)計(jì)算。 團(tuán)隊(duì)通過(guò)高清電鏡圖像，用有限元的方法和J-積分理論計(jì)算得出，多層氧化石墨烯的斷裂韌度是單層純碳石墨烯的3倍以上。

    通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，多倫多團(tuán)隊(duì)指出可能導(dǎo)致多層氧化石墨烯呈現(xiàn)裂痕抑制現(xiàn)象的潛在原因是：對(duì)于單層的氧化石墨烯而言，裂痕一旦開(kāi)始擴(kuò)展，會(huì)自然追尋更容易斷裂的具有氧化官能團(tuán)的碳原子，當(dāng)一旦遇到需要更大能量才能破壞的SP2鍵時(shí)，就需要更大的應(yīng)變能而停止擴(kuò)展；而石墨烯由于不具備氧化官能團(tuán)，所以在相同條件下雖然需要更高的應(yīng)力使裂痕開(kāi)始擴(kuò)展，但是不呈現(xiàn)裂痕抑制現(xiàn)象。另外，多層氧化石墨烯比單層純碳石墨烯斷裂韌度高的潛在原因是：純碳石墨烯每層的擴(kuò)展裂痕均相同，而對(duì)于多層氧化石墨烯而言，由于氧化官能團(tuán)的無(wú)序分布，其每層的裂痕擴(kuò)展路徑不同，導(dǎo)致需要更多的應(yīng)變能。

    總之，這項(xiàng)研究為通過(guò)化學(xué)方法調(diào)控二維材料的力學(xué)特性提供了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為制備有更強(qiáng)斷裂韌度的二維材料指引了新的方向！

    Changhong Cao, Sankha Mukherjee, Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter et al., Nonlinear fracture toughness measurement and crack propagation resistance of functionalized graphene multilayers. Sci. Adv. 2018; 4: eaao7202.