研究背景
范德華（vdW）材料是由二維（2D）構建單元組成的材料，因其面內強共價鍵結合力和較弱的層間相互作用，已廣泛應用于電子、光電和催化等領域。與傳統的三維材料相比，2D材料表現出優異的機械、電子、光學性能，尤其是在單層材料中，具備極高的強度和彈性模量。然而，當這些2D材料構建成多層結構時，由于層間相互作用較弱，通常難以保持單層時的卓越力學性能，這成為了vdW材料應用中的一個挑戰。因此，如何提高多層vdW材料的力學性能，尤其是抗斷裂能力，成為了一個重要的研究課題。
有鑒于此，萊斯大學婁俊教授團隊以及清華大學高華健院士合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Flaw-size-dependent mechanical interlayer coupling and edge-reconstruction embrittlement in van der Waals materials”的最新論文。該團隊通過設計并制備了AA′堆疊的多層h-BN，探索了層間耦合作用對其力學性能的影響。在他們的研究中，使用了原位定量拉伸測試和多尺度力學分析方法，揭示了MBN在不同缺陷尺寸下的雙重斷裂模式。研究發現，在某些條件下，MBN表現出層間摩擦和面內晶格不對稱性所帶來的增韌效應，而在其他條件下，由于層間B-N鍵的形成，MBN則表現出脆化現象。這一發現為進一步調控vdW材料中的層間相互作用提供了新的思路，并為設計具有更好力學性能的異質結和層狀結構材料提供了理論依據。
該團隊的研究結果顯著提高了MBN的抗斷裂性能，特別是在異步斷裂模式下，MBN表現出了更高的斷裂韌性。這一發現為工程化調控vdW材料中的力學耦合效應提供了重要的指導意義，并為未來層狀結構和異質結材料的設計提供了有力支持。
研究亮點
（1）實驗首次對AA′堆疊的多層氮化硼（MBN）進行了原位定量拉伸測試，揭示了其在斷裂過程中存在的異常力學層間耦合現象，得到了兩種不同的斷裂模式：同步斷裂模式和異步斷裂模式，并發現它們依賴于初始缺陷尺寸。
（2）實驗通過系統的多尺度力學分析，進一步揭示了不同斷裂模式的機制和影響因素。
① 在異步斷裂模式下，層間摩擦效應和層內晶格不對稱性共同作用，延緩裂紋擴展，提高了MBN的斷裂韌性。
② 在同步斷裂模式下，裂紋擴展過程中發生了邊緣重構，導致層間B–N鍵的形成，從而削弱了單層h-BN的固有增韌機制，導致MBN表現出脆化效應。
③ 通過理論計算和實驗驗證，研究發現斷裂模式的選擇主要由初始缺陷尺寸決定，大尺寸缺陷更容易觸發同步斷裂模式，導致脆化，而小尺寸缺陷則更傾向于異步斷裂模式，提高韌性。
圖文解讀
圖1：MBN 的原位定量拉伸測試。
圖2：MBN 在拉伸測試后的裂紋邊緣表征。
圖3：MBN 中雙重斷裂模式的理想 KI 場分析。
圖4：MBN 斷裂模式的缺陷尺寸依賴性。
結論展望
本文理解如何在多層結構中保持單層組分的卓越性能至關重要。單層氮化硼（SBN）的迷人斷裂行為和多層氮化硼（MBN）的獨特結構為探索層間機械耦合對多層納米材料斷裂行為的影響提供了理想的實驗平臺。在 MBN 中，層間摩擦與范德華相互作用相關，可以視為一種弱的層間機械耦合，這會導致異步斷裂行為。而另一方面，由于斷裂邊緣相鄰層之間的 B–N 鍵形成，邊緣重構激活了強層間機械耦合，可能導致對缺陷敏感的同步斷裂行為。通過增大 MBN 中的預裂紋（缺陷）尺寸，實驗觀察到從異步斷裂到同步斷裂的過渡，并通過多尺度力學分析解釋了這一現象。
隨著范德華固體或 2.5D 材料的崛起，通過工程化層間相互作用構建的固體材料和結構代表了設計前沿材料的重要范式轉變，適用于許多令人激動的應用。本文的研究成果為設計和工程化更具抗斷裂能力的 vdW 材料邁出了堅實的一步，并為層狀結構的最佳設計提供了啟示。
原文詳情：
Song, Z., Zhang, B., Yang, Y. et al. Flaw-size-dependent mechanical interlayer coupling and edge-reconstruction embrittlement in van der Waals materials. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02194-x
