作者:高恩来等 来源:《物质》 发布时间:2022/2/17 11:45:29
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力学设计出具有极致力学性能的物质形态

 

近期武汉大学的科研人员发掘设计出已知最强最韧物质形态,揭示了极致力学性能的物理机制。2022年2月16日,相关论文以《预测最强最韧材料:无派尔斯不稳定性的原子链》(The strongest and toughest predicted materials: Linear atomic chains without a Peierls instability)为题发表在Cell姊妹刊《物质》(Matter)上。

武汉大学高恩来副教授为第一及共同通讯作者,共同作者包括武汉大学郭雍哲、王正直与美国德克萨斯大学Steven O. Nielsen、Ray H. Baughman。

线性原子链是一种极致物质形态,其化学键全部沿轴取向,因而具有优异抗拉力学特性。线性碳链(linear carbon chains)此前曾被认为是已知最强最韧材料,例如其比抗拉强度分别为石墨烯与金刚石的1.5和3.2倍。然而,线性碳链具有派尔斯不稳定性,其键合结构分化为单三键交替,这种分化随拉伸应变会进一步加剧,其断裂力学性能由较弱化学键决定。

图1:具有极致力学性能的物质结构及其在力学荷载下演化。

为了获取更高力学性能的物质形态,武汉大学高恩来等开展了物理力学设计工作。前期基于上万种晶体结构-性能关联的数据驱动研究表明,轻质元素(硼、碳、氮)易于形成轻质高模高强材料(Chem. Mater., 2021, 33: 1276)。源于对超高力学性能物质结构组分特征(化学键短而强、沿轴取向度、致密排布)的理论认知,基于硼、碳、氮元素设计出化学稳定、性能优异的线性原子链晶体结构,其中线性碳化硼链的比强度和比断裂功(92 GPa•g-1•cm3和15.3 kJ•g-1)显著高于线性碳链(76 GPa•g-1•cm3和9.4 kJ•g-1),分别为石墨烯与金刚石的1.8和3.8倍,而其比强度接近于理论估计极限(104 GPa•g-1•cm3)。电子结构分析表明,在拉伸直到断裂应变之前,线性碳化硼链的化学键协调一致变形,无派尔斯不稳定性,其物理是原子结构对称的稳定驱动力(电子动能)与失稳驱动力(电子和离子之间静电相互作用)竞争机制。该机制为从原子尺度设计超高力学性能材料提供了启发。

该工作得到了中国国家自然科学基金委与美国威奥切基金会 (The Robert A. Welch Foundation) 的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.021

 
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