众所周知, 二维材料具有极佳的机械属性, 除了杨氏模量和机械强度外, 断裂韧度也是非常重要的一个力学指标, 反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力.
由于材料在实际应用中都有固有缺陷, 所以断裂韧度在很多情况下更能反映材料的力学特性, 而杨氏模量和机械强度非常高的材料, 断裂韧度并不一定同样高, 例如, 石墨烯被证明是迄今为止发现的杨氏模量和强度最高的材料, 但其断裂韧度只有约16 J/m2, 低于某些传统材料, 而二维材料的脆性机械特性则是导致其断裂韧度低的重要原因之一.
大量研究表明, 在二维材料中引入纳米级别缺陷可以使材料塑性特性增强, 进而提高其断裂韧度, 但是, 这种方法要求极高的实验技巧和昂贵的设备才能精准的控制引入缺陷的大小及形状, 而且只能在非常小的面积内实现, 很难成规模的应用到二维材料中.
有鉴于此, 多伦多大学Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter团队发展了一种化学手段改变机械特性的新策略, 通过引入化学官能团到二维材料中, 并增加石墨烯的厚度, 极大地提高了二维材料的塑性特性及断裂韧度, 并有望大规模低成本的广泛应用在二维材料应用领域.
研究人员利用透射电镜, 首先通过电子枪在多层氧化石墨烯上蚀刻了约其宽度10%的裂痕, 之后通过MEMS器件在透射电镜内对有裂痕的氧化石墨烯进行了原位拉伸测试, 直至其完全断裂.
实验中发现, 多层氧化石墨烯对裂痕有抑制机制. 裂痕开始扩展时, 并没有像石墨烯一样瞬间扩展到薄膜边缘, 而是停在中间, 在应力进一步加大后, 裂痕才扩展到薄膜边缘, 这种裂痕抑制机制是首次在二维材料中发现.
另外, 由于多层氧化石墨烯的应力应变曲线呈非线性, 所以格利菲裂痕定理不能被用来计算其断裂韧性, 团队在文中证明了对非线性二维材料应用格利菲裂痕定理的不合理性, 并指出非线性材料的断裂韧性应由Hutchinson及Rice提出的J-积分理论来计算. 团队通过高清电镜图像, 用有限元的方法和J-积分理论计算得出, 多层氧化石墨烯的断裂韧度是单层纯碳石墨烯的3倍以上.
通过分子动力学模拟的方法, 多伦多团队指出可能导致多层氧化石墨烯呈现裂痕抑制现象的潜在原因是: 对于单层的氧化石墨烯而言, 裂痕一旦开始扩展, 会自然追寻更容易断裂的具有氧化官能团的碳原子, 当一旦遇到需要更大能量才能破坏的SP2键时, 就需要更大的应变能而停止扩展; 而石墨烯由于不具备氧化官能团, 所以在相同条件下虽然需要更高的应力使裂痕开始扩展, 但是不呈现裂痕抑制现象. 另外, 多层氧化石墨烯比单层纯碳石墨烯断裂韧度高的潜在原因是: 纯碳石墨烯每层的扩展裂痕均相同, 而对于多层氧化石墨烯而言, 由于氧化官能团的无序分布, 其每层的裂痕扩展路径不同, 导致需要更多的应变能.
总之, 这项研究为通过化学方法调控二维材料的力学特性提供了理论及实验基础, 为制备有更强断裂韧度的二维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.