Cooperating Cracks in Two-Dimensional Crystals
本研究揭示了双层二维晶体中由失配诱导的层间剪切会导致平行和反平行裂纹分别产生吸引或排斥作用，从而增强材料韧性并为工程化设计断裂模式提供理论框架。
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当固体材料发生断裂时，很少会以单一、整齐的线条形式发生。相反，失效往往始于一个裂纹网络，这些裂纹不断生长、扭转并相互作用。在工程学和材料科学领域，理解这些裂纹的行为关乎安全与设计。几十年来，科学家们一直在研究裂纹如何在单个固体块中移动。他们知道，当两个裂纹存在于同一个平面内时，根据它们的排列方式，它们要么互相推开，要么互相拉近。但随着二维晶体的发现，一个新的前沿领域已经开启。这些材料只有几个原子厚，就像叠在一起的纸张一样。当这些超薄片层中的一层产生裂纹，而紧邻其上方或下方的另一层也产生裂纹时，会发生什么？答案不仅仅是我们在厚材料中所知知识的简单延伸；这些层之间的相互作用为事物的破碎方式创造了一套完全不同的规则。
研究人员通过观察一种由两层组成的二硫化钼材料中的裂纹，揭示了这些隐藏的规则。利用一台能够观察单个原子的强力显微镜，该团队观察了这些堆叠片层中裂纹的生长过程。他们发现，这些裂纹的行为完全取决于层与层之间相对堆叠的方式。当两条裂纹在相邻层中平行运行时，它们并不会忽视彼此。相反，它们会被吸引到一起，弯曲路径，直到最终合并成一条线。这是一个令人惊讶的结果，因为在单一固体块中，平行的裂纹通常会互相排斥，或者根据所施加的具体应力类型进行复杂的运动。在这里，这些层充当了一个桥梁，将裂纹拉向彼此。相反，当裂纹呈反平行排列（即它们从相反方向朝向彼此）时，它们会相互排斥并转向以避免碰撞。
这种奇特行为的秘密在于层与层之间的空间。这些二维晶体由非常微弱的力量结合在一起，远比维持片层内原子结合的强力连接要弱得多。当顶层产生裂纹时，它会产生一个缺口，从而拉动底层中的原子。由于这两层并非完美锁定，底层会轻微滑动以适应应力。这种滑动（或剪切）会产生一种横跨缺口的力。如果裂纹是平行的，这种滑动会产生一种将它们拉拢在一起的拉力。如果裂纹是反平行的，这种滑动则会产生一种将它们推开的推力。研究人员通过运行详细的计算机模拟来证实了这一机制，这些模拟模拟了数十亿个原子的运动。这些模拟表明，这种吸引或排斥的强度取决于裂纹之间的距离以及层间连接的刚度。裂纹距离越近，且层间连接越强，这种效应就变得越显著。
为了理解这些复杂的原子运动，团队开发了一种看待该问题的新方法。他们将用于预测裂纹如何生长的标准规则，与描述层间如何相互滑动的模型相结合。这种方法使他们能够根据邻近裂纹的距离和材料的特性，精确预测裂纹将如何弯曲。他们的计算结果与显微镜下的观察以及计算机模拟完美吻合。他们发现，这种相互作用非常强烈，实际上可以使材料变得更坚韧。通过鼓励裂纹合并而非扩散并削弱整个结构，材料可以在失效前吸收更多能量。这表明工程师可以通过有意安排层级结构来控制裂纹的相互作用，从而设计出更强大的材料。与其试图阻止裂纹形成，不如引导它们以一种保护结构完整性的方式进行合并。
研究还揭示了层与层之间相对扭转的角度也很重要。在某些配置下，层很容易滑动，裂纹表现得如预期所示。而在另一些配置下，层被锁定在一起，从而阻止了这种滑动，此时裂纹会忽略彼此，表现得就像是在单一固体块中一样。这一发现强调了这些材料的内部架构与化学成分同样重要。研究人员在二硫化钼和石墨烯（一种由纯碳构成的材料）上测试了这些观点，并发现相同的原理同样适用。这些结果为管理下一代超薄器件的失效提供了新的视角。通过理解相邻层中的裂纹可以通过它们之间的弱力进行“交流”，科学家现在可以设想设计出不仅具有抗破坏性，而且能主动管理破碎方式以延长使用寿命的材料。
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