新型二維莫爾超晶格膜在極端環(huán)境下的應用
在材料科學的世界里，有一個長期存在的難題：強度和韌性似乎總是 “魚與熊掌不可兼得”。尤其是在二維材料領域，要讓薄膜同時承受極端應變、劇烈溫度變化并抵抗裂紋擴展，簡直是難上加難。
但最近，中國科學家劉忠范院士團隊研發(fā)的一種新型二維莫爾超晶格膜，徹底打破了這個 “魔咒”。它不僅像石墨烯一樣堅固，還具備六方氮化硼的出色韌性，更能在 1800K 的高溫沖擊下 “安然無恙”，堪稱材料界的 “超級英雄”(Adv.Mater.2025,e02792.DOI: 10.1002/adma.202502792)。
Section.01
材料界的 “矛盾體” 難題
二維材料（如石墨烯、六方氮化硼）憑借獨特的物理化學特性，在先進電子、熱管理、高效分離等領域被寄予厚望。但實際應用中，它們面臨一個棘手問題：高強度材料往往很脆（比如石墨烯，雖然強度驚人，但一旦出現(xiàn)裂紋就會快速斷裂）；高韌性材料又不夠堅固（比如六方氮化硼，能通過裂紋偏轉抵抗斷裂，但整體強度不足）。為了兼顧兩者，科學家們曾嘗試添加缺陷或復合其他材料，卻總會犧牲材料的固有性能。直到研究團隊想到一個巧妙的辦法：把石墨烯和六方氮化硼 “垂直堆疊” 起來，利用范德華力形成莫爾超晶格結構。
圖1. 具有潔凈界面的二維 hBN/石墨烯莫爾超晶格的設計與制備Section.02
兩種材料的 “完美聯(lián)姻”
這種二維 hBN/Gr 莫爾超晶格膜的設計思路，就像給石墨烯穿上了一件 “韌性鎧甲”：石墨烯層提供基礎強度，保證材料能承受巨大的晶格應變；六方氮化硼層則負責 “化解危機”，通過裂紋偏轉、分叉等方式釋放能量，阻止斷裂蔓延。實驗顯示，這種 “組合拳” 效果顯著：其強度與雙層石墨烯相當，平均極限應力達 71.8GPa；斷裂韌性卻遠超石墨烯，能量釋放率更高，裂紋擴展更穩(wěn)定。更令人驚嘆的是它的抗熱沖擊能力。在 10⁴K/s 的極速加熱下（相當于瞬間從室溫飆升到 1800K），經過 200 次循環(huán)后，仍有 95% 的膜保持完好。而同樣條件下，雙層石墨烯膜的完好率僅剩 50%。
圖2. 具備優(yōu)異耐熱沖擊性能的高穩(wěn)健性二維 hBN/石墨烯莫爾超晶格膜Section.03
顯微鏡下的 “斷裂藝術”
通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這種超晶格膜的斷裂行為堪稱 “教科書級別”：裂紋在六方氮化硼層中會自發(fā)偏轉、分叉，形成粗糙的邊緣，避免快速擴展；即使上層六方氮化硼出現(xiàn)局部孔隙，下層石墨烯也能 “另起爐灶”，在偏離缺陷的位置重新形成裂紋，進一步分散應力。分子動力學模擬還證實，扭轉角度會影響材料性能 ——5° 扭轉角的超晶格膜斷裂韌性最高，這為精準調控材料性能提供了新思路。
圖3. 體現(xiàn)其內在韌性的二維 hBN/石墨烯莫爾超晶格膜的力學性能Section.04
從實驗室到應用場景
這種 “剛柔并濟” 的特性，讓二維 hBN/Gr 超晶格膜在極端條件下大顯身手。研究團隊已成功用它作為支撐膜，通過閃速焦耳加熱技術合成出均勻分布的高熵合金納米顆粒（HEA-NPs）。高熵合金因優(yōu)異的催化性能被廣泛關注，但合成過程需要反復高溫沖擊，普通支撐膜難以承受。而這種超晶格膜不僅穩(wěn)定支撐了合成過程，還能通過高分辨率電鏡清晰觀察納米顆粒的結構 —— 其面心立方晶體結構和 8 種元素的均勻分布，都被完美記錄下來。未來，它還可能應用于：極端環(huán)境下的電子顯微鏡支撐膜；高效傳感器和高溫熱管理器件；非平衡化學合成中的穩(wěn)定反應平臺。
Section.05
改寫材料設計規(guī)則
這項研究的意義，遠不止于發(fā)明一種新型薄膜。它證明了通過范德華堆疊設計，可以讓不同材料的優(yōu)勢互補，突破單一材料的性能極限。就像石墨烯和六方氮化硼的 “聯(lián)姻”，既保留了各自的長處，又創(chuàng)造出 1+1>2 的新特性�；蛟S在不久的將來，這種 “強強聯(lián)合” 的設計思路，會讓更多極端環(huán)境下的材料難題迎刃而解。
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