On the Thermomechanical Properties and Fracture Patterns of the Novel Nonbenzenoid Carbon Allotrope (Biphenylene Network): A Reactive Molecular Dynamics Study
本研究采用反应分子动力学模拟揭示了新型联苯烯网络（BPN）展现出与石墨烯相当的卓越热力学性能，包括约 1019.4 GPa 的杨氏模量和约 4024 K 的熔点，同时展示了一种独特的、具有方向依赖性的非弹性断裂过程，该过程涉及四个不同的形态转变，且这些转变会被纳米裂纹的存在所抑制。
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长期以来，碳一直是材料科学界的明星，因其能够形成极其坚固且多功能的结构而闻名。几十年来，这个家族中最受赞誉的成员是石墨烯，它是由单层碳原子排列成的完美蜂窝状结构。这种材料以近乎不可破坏和卓越的导电性而著称，这让科学家们相信它能够彻底改变从电子产品到能量存储的各个领域。然而，石墨烯有一个显著的局限性：它缺乏天然的能隙，这使得它很难应用于许多类型的计算机芯片和光子器件。这一挑战促使研究人员寻找排列碳原子的新方法，希望能创造出既保留石墨烯强度，又具备新电子特性的材料。最近，一种被称为联苯环网络（biphenylene network）的新型二维碳结构在实验室中被成功创建，为经典的蜂窝设计提供了一个新鲜的替代方案。
这种新材料看起来与石墨烯大不相同。它不是由均匀的六边形环组成的网格，而是一个由四边形、六边形和八边形碳原子环融合而成的马赛克结构。虽然科学家们此前已经研究过这种新结构的电子行为，但他们尚未了解这种结构在物理压力或热量作用下的表现如何。为了回答这些问题，一个研究小组利用强大的计算机模拟来观察该材料在被拉伸或加热时的反应。他们将原子视为可以断裂并重新建立连接的独立粒子，从而能够观察到材料失效的确切时刻。他们的目标是看这种新型碳形式是否像石型烯一样坚韧，并了解现实世界制造中常见的微小缺陷会如何影响其强度。
研究人员首先模拟了材料在不同方向上被拉伸的过程，就像拉扯一块织物一样。他们发现，联苯环网络在最终断裂之前，表现出一种令人惊讶的复杂方式。与石墨烯在达到极限后会突然断裂不同，这种新材料会经历一系列的转变。在被拉伸的过程中，原子会重新排列，从一种形状转变为另一种形状。材料会经历几个明显的阶段，在这些阶段中，原子环的构型发生变化，有效地软化了结构，使其能够在不立即断裂的情况下进一步延伸。在某些情况下，该材料甚至会暂时变成一种看起来非常像石墨烯的结构，然后才最终撕裂。这种改变形状和吸收能量的能力表明，该材料具有一种与石墨烯的脆性截然不同的独特韧性。
研究还探讨了当材料出现微小裂纹或缺失部分时的情况，这在任何现实世界的应用中都是不可避免的。研究人员模拟了既平行于拉伸方向又垂直于拉伸方向的裂纹。他们发现，裂纹的方向至关重要。当裂纹横跨拉伸方向时，材料会变得更弱并更早断裂。然而，当裂纹沿着拉伸方向运行时，裂纹附近的原子实际上可以靠得更近并重新连接，从而使材料比预期更能保持其强度。这意味着，材料的耐用性在很大程度上取决于缺陷相对于施加力的对齐方式。
除了拉伸测试，团队还测试了该材料处理极端热量的能力。他们模拟了将结构从室温加热到一万开尔文的过程，以观察它何时熔化。结果显示，该材料在极高温度下仍保持固体和稳定状态，其熔点为 4024 开尔文。这与石墨烯的熔点非常接近，表明这种新材料与它著名的“表亲”一样具有热稳定性。即使在升温过程中，材料也会经历结构变化，最终分解成由单个原子和短链组成的类气体状态。
模拟为材料的刚度和强度提供了具体数值。研究人员计算了其刚度值（即杨氏模量），根据拉伸方向和缺陷的存在，该值在约 570 到 1019 吉帕之间波动。这些数值与石墨烯的刚度相当，证实了这种新材料确实是碳基材料领域中的重量级竞争者。研究结论指出，虽然联苯环网络拥有石墨烯卓越的强度和耐热性，但它拥有独特的个性。它不会在压力下直接折断，而是通过一系列步骤进行弯曲、重塑和转化，然后才发生失效。这种行为，结合它在特定缺陷情况下仍能保持强度的能力，表明这种新型碳同素异形体可能成为未来技术的有力候选者，前提是工程师们能够学会应对其独特的应力处理方式。
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