六方氮化硼（hBN）是一种具有与石墨烯相似物理特性的二维材料，然而最近一组研究人员测试发现这种材料的抗裂性是石墨烯 10 倍，与断裂力学基本描述背道而驰。在反复实验上千小时后，科学家找到问题了，裂纹分叉方式不同是导致六方氮化硼材料更具弹性的原因。
六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN；别名 α-BN、g-BN）与石墨烯极为相似，这 2 种材料都是由原子构成六边形蜂巢晶格的平面薄膜，因此前者有时也被称作“白石墨”。只是就石墨烯而言，所有原子都是碳；而就六方氮化硼来说，每个六边形晶格都包含 3 个硼原子和 3 个氮原子。
碳-碳键是自然界中最强的键之一，因此科学家预期石墨烯的强度和弹性都比六方氮化硼好，一般来说也没错：石墨烯极限拉伸强度约 130 GPa，弹性约 1.0 TPa；六方氮化硼强度约 100 GPa，弹性约 0.8 TPa，两者数值接近，但六方氮化硼表现还是比石墨烯低了些。
▲ 在石墨烯和六方氮化硼材料中，原子排列在六边形扁平晶格中，石墨烯所有原子都是碳，六方氮化硼则是 3 个氮原子和 3 个硼原子。
但在现实世界中，没有任何材料毫无缺陷，科学家自 1920 年代以来，一直利用英国工程师 Alan Arnold Griffith 于二战期间提出的断裂力学（Fracture mechanics）来预测和定义材料的韧性（或抗裂纹扩展性），当施加在材料的应力大于将材料固定在一起的力时，裂纹就会扩大，且能量差异会在裂纹扩展中释放。该理论在工程学中相当重要，它准确描述了材料在崩裂前可承受多少外力刺激。
7 年前，科学家依据该理论测量发现石墨烯的抗裂性偏低，若晶格上有裂缝，那么只要一点负载就会破坏石墨烯材料；换句话说石墨烯也有非常脆弱的一面，只要有几个原子“不健康”，石墨烯性能就会从非凡掉到平庸。
按照正常推理，六方氮化硼的抗裂性应该也与石墨烯相当，然而当研究人员去测试六方氮化硼时发现其抗裂性是石墨烯 10 倍，这表现太出乎意料，以至于无法用断裂力学公式描述。
为解开这突兀谜题，研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）和穿透式电子显微镜（Transmission electron microscope，TEM）观察六方氮化硼的裂纹如何产生，经过 1,000 多个小时的实验与后续分析，他们终于发现问题，石墨烯与六方氮化硼再怎么相似，终究存有细微差异。
▲ 二维材料六方氮化硼的抗裂韧性之所以那么高，源自其原子结构（左）呈轻微不对称，促使裂纹沿着分支路径移动（右）。
在石墨烯中，裂纹倾向由上到下直线穿过对称的六边形结构，就像拉链一样；但在六方氮化硼中，由于硼和氮之间的应力对比，导致六方氮化硼原子晶格结构略有不对称，进一步促使裂缝有分叉和转向的趋势，而这也是让六方氮化硼更具弹性的原因——材料透过使裂纹更难传递来强化自身，论文和著者、南洋理工大学材料学家 Huajian Gao 形容，这就像滑雪者在向前移动时失去平衡一样。
已知六方氮化硼因优异的耐热性、化学稳定性与介电特性，在电子应用中具有良好前景，既可作为支撑用基底，也可做为电子元件间的绝缘层。新研究除了揭开了材料的一种内在增韧机制外，或也可成为电子纺织品、植入物等技术的新选择。
新论文发表在《自然》（Nature）期刊。
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- Hexagonal boron nitride’s remarkable toughness unmasked
（图片来源：莱斯大学）
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