二维材料究竟是如何断裂的？

材料牛注：二维材料作为现今材料学界的热门方向，有着广阔的应用前景。但对二维材料的探索人类还有很长的路要走，比如，你知道二维材料的断裂机制吗？IBS科研团队的最新发现为我们揭开了它的神秘面纱。

许多科学家提出，若想理解纤薄的二维材料究竟是如何断裂的，我们就得探索得比现有理论更远。

AsianScientist（2017年2月13日）消息，基础科学研究所（IBS）综合纳米结构物理中心(CINAP)的科学家们首次观察到二维二硫化钼（MoS2）的断裂。目前他们已将该发现发表在Nature Communications期刊上，他们的发现有望用于指导设计新的二维材料。

如今，应用MoS2等二维材料已被看作未来电子及光电器件领域的重要发展方向。然而可以预见的是，二维材料的机械性质与我们常见的三维材料大相径庭。特别是我们难以应用现今的理论去预测和解释二维材料断裂的严重性及断口形状。

金等延展性较好的材料可在断裂前发生较大应变，而玻璃等脆性材料在突然断裂之前只能吸收相对较小的能量，且基本没有伸展和变形。在纳米尺度下，延性材料中的原子运动比脆性材料中的更为自由，因此在外部施加拉力（拉伸应力）的情况下，这些原子可能离开原本有序的晶格，即材料专业术语中的位错。这就是格里菲斯模型，它从诞生之日起已被人们应用于解释大量材料断裂现象，但其正确性仍缺少原子或纳米尺度的实验数据支持。

在上述研究中，IBS的科学家们观察到了二维MoS2上自然形成或经电子束穿孔形成的裂纹是如何扩展的。该研究论文的第一作者Ly Thuc Hue博士向我们阐述：“我们在进行试验时遇到的最大困难在于如何使电子束仅能穿孔、而不导致材料产生其他缺陷又或是使材料被破坏。所以我们只能迅速完成操作，并使用尽可能低的能量。”

这个研究采用透射电镜对原子进行实时观察。尽管MoS2是一种脆性材料，但令人惊讶的是，研究团队依旧在距离它的裂纹前沿或裂纹尖端3-5nm的地方观察到了原子位错的存在。这个现象显然不能用格里菲斯模型来解释。

为模拟自然条件下的开裂，研究团队将二维MoS2样品暴露在紫外光下，使其氧化，由此加速原子位错形成，并使拉伸区域扩展至距裂纹尖端5-10nm处。

“我们的研究表明，二维材料的开裂与三维脆性或韧性材料的开裂在本质上是不同的，”CINAP教授Lee Young Hee对此解释道，“这些现象无法再用常规的材料失效理论来解释，所以我们认为很有必要为之建立一套新的理论体系。”

感兴趣的读者可以自行阅读关于该项研究的论文，文献题目为： Dynamical Observations on the Crack Tip Zone and Stress Corrosion of Two-dimensional MoS2。

原文链接：How Do 2D Materials Crack?

文献链接：Dynamical Observations on the Crack Tip Zone and Stress Corrosion of Two-dimensional MoS2

本文由编辑部月亮提供素材，唐思哲编译，雪琰审核，点我加入材料人编辑部。

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