要點:
二維材料的脆性瓶頸正被突破，研究人員正借助內部結搆設計打造兼具輕薄與韌性的全新材料方案。
在快速發展的先進材料領域，實現“輕、薄、強”一直是科研界的重要目標。尤其在柔性電子、可穿戴設備與高性能傳感器等應用場景中，材料不僅要具備出色的導電、導熱性能，還需兼具優異的機械強度與韌性。然而，如何在保持極致輕薄的同時提升材料的抗斷裂能力，始終是一個尚未完全解決的技朮難題。
在這一背景下，尋找一種既能維持超薄特性、又具高度結搆韌性的二維材料，成為推動下一代柔性器件技朮進步的關鍵所在。萊斯大學的科學家們發現，單層無定形碳/MAC的韌性是石墨烯的八倍。這種二維、單原子厚的材料融合了晶體結搆與無序區域，形成了獨特的復合結搆。
輕薄高性能材料的新突破
近日，萊斯大學的研究團隊通過掃描電子顯微鏡內的原位拉伸測試，首次實現了對單層無定形碳/MAC在受力狀態下的直接觀察，揭示了材料在臨近斷裂時裂縫顯著減緩、分支甚至停止擴展的獨特行為。
與此同時，麻省理工學院Markus Buehler團隊通過原子尺度的計算模擬，進一步驗證了實驗觀察的結果。他們發現，MAC內部有序晶體區與無序非晶區之間的界面能夠有效提升材料抵抗斷裂的能量閾值，這種界面結搆成為材料韌性提升的關鍵機制。
分子動力學模擬成為理解MAC獨特力學行為的關鍵工具。該模擬揭示了單個原子層面上裂縫的動態演變，尤其是非晶區對裂紋傳播的阻礙作用，這種“納米級防裂機制”讓材料能夠吸收更多能量，從而提升整體韌性。
通過調控模型中晶體域大小與分布，研究團隊發現微小的結搆調整對韌性影響巨大，這不僅為實驗提供了理論指導，也顛覆了“無序結搆只能被容忍”的傳統認知，表明無序結搆同樣可以成為可控設計元素。
助理教授強調，這項研究在技朮上極具挑戰，因要在原子級尺度上合成并成像如此超薄且無序的二維材料，之前几乎沒有人嘗試過。正是這項技朮突破，使得對MAC內在斷裂機制的深入理解成為可能。
另一位作者也指出，這種基於內部結搆設計的策略不僅適用於MAC，也有望推廣到其他二維材料領域。他認為，通過設計內部有序與無序區域的分布，可以有效克服二維材料普遍存在的脆性問題，擴展其實際應用范圍。
石墨烯雖然以極高的強度著稱，但其脆性使得一旦裂縫形成便會迅速擴展，導致材料快速失效。相比之下，MAC通過誘導裂縫分支和停滯機制，不僅有效抑制裂縫擴展，還在保持剛度的同時大幅提升了斷裂能，使其成為替代石墨烯的有力候選材料。
當前，二維材料在柔性電子、傳感器、太陽能電池和儲能器件等領域擁有巨大潛力，但脆性限制了它們的實際應用。MAC的出現為這些領域帶來新的可能，它能夠保護那些需反復彎曲和拉伸的敏感層，避免斷裂損壞，加之釆用激光輔助化學氣相沉積法合成，兼容現有制造技朮，有望加速商業化進程并推動下一代高性能二維材料的開發。
驅動二維材料韌性飛躍
這項研究首次清晰證明，混合型二維材料通過優化內部結搆即可顯著提升韌性，而無需依賴額外的層疊或塗層來增強性能。過去，材料科學家多釆用堆疊多層材料或添加塗層的方法來增強二維材料的機械強度，但這種做法不可避免地增加了材料的厚度和制造復雜性，限制了其在輕薄高性能應用中的優勢。
在二維材料領域，二硫化鉬/MoS₂和六方氮化硼/h-BN因其優異的電子和熱學性能而廣受關注。然而，這些材料普遍存在脆性，尤其在受到機械壓力時易發生斷裂，嚴重影響其實際應用的可靠性和壽命。如何在保證其獨特性能的同時，提高材料的韌性，成為當前研究的關鍵難題。
單層無定形碳/MAC材料表現出兼具抗斷裂性能和結搆適應性的獨特優勢，使其在眾多二維材料中脫穎而出。與傳統通過多層堆疊或混合不同材料來增強韌性的方式不同，MAC依靠其自身內部結搆設計實現強韌結合，這為輕薄且高性能的應用場景提供了更優的設計空間和靈活性。
此外，MAC內部結搆的設計摒棄了增加材料體積的做法，轉而通過調控結搆組織來實現強韌一體化。這種創新路徑不僅保持了二維材料的超薄特性，還顯著提升了其承受機械應力時的斷裂韌性，為柔性電子產品的發展打開了新的可能。
尤其在醫療傳感器、可折疊設備等對柔韌性和高性能環境適應性要求極高的領域，MAC的這種內部韌性設計展現出極大潛力。它不僅能有效防止材料在反復彎曲、拉伸中斷裂，也能保證設備長期穩定運行。
未來，通過進一步優化和調控MAC的內部結搆，有望使其成為各種薄型、高強度設備的標准保護層，替代現有厚重或復雜的強化方案。這將大大推動柔性電子、智能穿戴和其他新興領域的發展。與此同時，這一內部結搆強化策略也為其他二維材料的韌性提升提供了范式參考，有望激發更廣泛的二維材料設計創新，拓展其應用邊界。
MAC的結搆韌性設計不僅克服了傳統二維材料脆弱性的瓶頸，也為輕薄高性能材料的未來應用鋪設了堅實基礎，標志着二維材料機械性能提升的一個重要里程碑。
