眾所周知, 二維材料具有極佳的機械屬性, 除了楊氏模量和機械強度外, 斷裂韌度也是非常重要的一個力學指標, 反映了材料抵抗裂紋失穩擴展的能力.
由於材料在實際應用中都有固有缺陷, 所以斷裂韌度在很多情況下更能反映材料的力學特性, 而楊氏模量和機械強度非常高的材料, 斷裂韌度並不一定同樣高, 例如, 石墨烯被證明是迄今為止發現的楊氏模量和強度最高的材料, 但其斷裂韌度只有約16 J/m2, 低於某些傳統材料, 而二維材料的脆性機械特性則是導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別缺陷可以使材料塑性特性增強, 進而提高其斷裂韌度, 但是, 這種方法要求極高的實驗技巧和昂貴的設備才能精準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實現, 很難成規模的應用到二維材料中.
有鑒於此, 多倫多大學Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter團隊發展了一種化學手段改變機械特性的新策略, 通過引入化學官能團到二維材料中, 並增加石墨烯的厚度, 極大地提高了二維材料的塑性特性及斷裂韌度, 並有望大規模低成本的廣泛應用在二維材料應用領域.
研究人員利用透射電鏡, 首先通過電子槍在多層氧化石墨烯上蝕刻了約其寬度10%的裂痕, 之後通過MEMS器件在透射電鏡內對有裂痕的氧化石墨烯進行了原位拉伸測試, 直至其完全斷裂.
實驗中發現, 多層氧化石墨烯對裂痕有抑制機制. 裂痕開始擴展時, 並沒有像石墨烯一樣瞬間擴展到薄膜邊緣, 而是停在中間, 在應力進一步加大後, 裂痕才擴展到薄膜邊緣, 這種裂痕抑制機制是首次在二維材料中發現.
另外, 由於多層氧化石墨烯的應力應變曲線呈非線性, 所以格利菲裂痕定理不能被用來計算其斷裂韌性, 團隊在文中證明了對非線性二維材料應用格利菲裂痕定理的不合理性, 並指出非線性材料的斷裂韌性應由Hutchinson及Rice提出的J-積分理論來計算. 團隊通過高清電鏡映像, 用有限元的方法和J-積分理論計算得出, 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.
通過分子動力學類比的方法, 多倫多團隊指出可能導致多層氧化石墨烯呈現裂痕抑制現象的潛在原因是: 對於單層的氧化石墨烯而言, 裂痕一旦開始擴展, 會自然追尋更容易斷裂的具有氧化官能團的碳原子, 當一旦遇到需要更大能量才能破壞的SP2鍵時, 就需要更大的應變能而停止擴展; 而石墨烯由於不具備氧化官能團, 所以在相同條件下雖然需要更高的應力使裂痕開始擴展, 但是不呈現裂痕抑制現象. 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展裂痕均相同, 而對於多層氧化石墨烯而言, 由於氧化官能團的無序分布, 其每層的裂痕擴展路徑不同, 導致需要更多的應變能.
總之, 這項研究為通過化學方法調控二維材料的力學特性提供了理論及實驗基礎, 為製備有更強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.