大规模低成本提高石墨烯韧性

由于材料在实际应用中都有固有缺陷，所以断裂韧度在很多情况下更能反映材料的力学特性，而杨氏模量和机械强度非常高的材料，断裂韧度并不一定同样高。

有鉴于此，多伦多大学Yu Sun,Chandra Veer Singh,Tobin Filleter团队发展了一种化学手段改变机械特性的新策略，通过引入化学官能团到二维材料中，并增加石墨烯的厚度，极大地提高了二维材料的塑性特性及断裂韧度，并有望大规模低成本的广泛应用在二维材料应用领域。

研究人员利用透射电镜，首先通过电子枪在多层氧化石墨烯上蚀刻了约其宽度10%的裂痕，之后通过MEMS器件在透射电镜内对有裂痕的氧化石墨烯进行了原位拉伸测试，直至其完全断裂。

实验中发现，多层氧化石墨烯对裂痕有抑制机制。裂痕开始扩展时，并没有像石墨烯一样瞬间扩展到薄膜边缘，而是停在中间，在应力进一步加大后，裂痕才扩展到薄膜边缘，这种裂痕抑制机制是首次在二维材料中发现。

另外，由于多层氧化石墨烯的应力应变曲线呈非线性，所以格利菲裂痕定理不能被用来计算其断裂韧性，团队在文中证明了对非线性二维材料应用格利菲裂痕定理的不合理性，并指出非线性材料的断裂韧性应由Hutchinson及Rice提出的J-积分理论来计算。团队通过高清电镜图像，用有限元的方法和J-积分理论计算得出，多层氧化石墨烯的断裂韧度是单层纯碳石墨烯的3倍以上。

通过分子动力学模拟的方法，多伦多团队指出可能导致多层氧化石墨烯呈现裂痕抑制现象的潜在原因是：对于单层的氧化石墨烯而言，裂痕一旦开始扩展，会自然追寻更容易断裂的具有氧化官能团的碳原子，当一旦遇到需要更大能量才能破坏的SP2键时，就需要更大的应变能力而停止扩展；而石墨烯由于不具备氧化官能团，所以在相同条件下虽然需要更高的应力使裂痕开始扩展，但是不呈现裂痕抑制现象。另外，多层氧化石墨烯比单层纯碳石墨烯断裂韧度高的潜在原因是：纯碳石墨烯每层的扩展裂痕均相同，而对于多层氧化石墨烯而言，由于氧化官能团的无序分布，其每层的裂痕扩展路径不同，导致需要更多的应变能。