一直以來，材料科學家都面臨著一個難題：即使是最堅固的材料，在壓力下也可能出現裂縫。就拿石墨烯來說，它是地球上最強韌的材料之一，可一旦出現裂縫，就會迅速擴展，導致材料突然斷裂，這大大限制了它在實際中的應用。

最近，新加坡國立大學（NUS）的Barbaros ?zyilmaz團隊合成的單層非晶碳（MAC），成功解決了這個問題。它不僅堅固，而且韌性十足。美國萊斯大學科學家及其合作者在《Matter》雜志上發表的一項新研究顯示，MAC的韌性竟是石墨烯的8倍。

MAC和石墨烯一樣，都是二維材料，厚度僅有一個原子。但二者的原子排列方式大不相同。石墨烯的原子呈有序的六邊形晶格排列，而MAC則是一種復合材料，它同時包含了晶體和非晶區域。正是這種獨特的復合結構，賦予了MAC超強的韌性。

萊斯大學材料科學與納米工程專業的研究生Bongki Shin是這項研究的第一作者，他表示：“這種獨特設計能阻止裂縫輕易擴展，讓材料在斷裂前吸收更多能量。”

二維材料在多個領域都帶來了變革性創新，從更快更高效的電子產品，到高容量儲能設備、先進傳感器以及可穿戴技術等。然而，脆性問題一直制約著它們在現實中的廣泛應用。為了讓二維納米材料更堅韌，科學家們想出了不少辦法，比如在薄膜中添加增強納米結構（外部增韌），或者在材料內部進行改性（內部增韌）。MAC的平面內結構為測試由有序（晶體）區域嵌入無序（非晶）基質構成的納米復合材料的斷裂韌性，提供了絕佳的案例。

萊斯大學材料科學與納米工程學以及化學教授Jun Lou是該研究的通訊作者，他認為：“這種基于結構的增韌策略，可能也適用于其他二維材料。這項研究為先進材料設計開辟了令人期待的新方向。”

研究過程中，萊斯大學的研究人員在掃描電子顯微鏡下進行原位拉伸測試，實時觀察裂縫的形成和擴展，直觀地了解MAC納米復合材料結構是如何抵抗裂縫擴展的。麻省理工學院Markus Buehler領導的團隊則通過分子動力學模擬，從原子層面深入探究晶體和非晶區域的混合，對斷裂能產生的影響。

“此前，在原子尺度上制備和成像超薄無序材料極具挑戰性，所以一直沒人能做到。但得益于納米材料合成和高分辨率成像技術的最新進展，我們找到了一種無需添加額外層，就能讓二維材料更堅韌的新方法。”萊斯大學材料科學與納米工程助理教授Yimo Han說道，他也是這項研究的通訊作者。

該研究得到了美國能源部、韋爾奇基金會、新加坡國家研究基金會以及新加坡教育部的支持。這一成果有望為材料科學領域帶來新的突破，推動相關產業的進一步發展。

參考資料：DOI： 10.1016/j.matt.2025.102000