Symmetry-selected extreme shear compliance in a stable carbon monolayer
本研究通过密度泛函理论证明，特定的非六角碳单层（尤其是孪晶 T-石墨烯）由于对称性限制的原子弛豫作用而表现出极高的剪切顺应性，在保持机械稳定性和半导体带隙的同时，实现了剪切刚度的五十倍降低。
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我们在日常生活中遇到的大多数固体材料表现得非常可预测：如果你推它们，它们会产生阻力；如果你试图扭转它们，它们也会产生阻力。工程师和科学家早已知晓，晶体内部的原子在材料被拉伸或挤压时会发生轻微位移，这种运动会使材料的响应变得更加柔软。然而，一个基本问题一直悬而未决：这种内部位移是否可以强大到让一种材料在特定方向上极易被扭转，而在其他所有方向上都保持坚硬如石？几十年来，创造这种极端行为的唯一方法是利用微小的柔性铰链和细长的梁来构建人工结构，这本质上是在设计一种机械技巧，而非寻找一种天然物质。寻找一种能够实现这种极端柔软性、且不会解体或依赖制造部件的、具有天然键合结构的固体晶体，一直是一个谜团。
一支研究团队现在已经发现了一种特定形式的碳，一种被称为 Twin T-graphene 的单原子厚度碳片，它恰好实现了这一点。通过基于量子力学定律的高性能计算机模拟，科学家们研究了四种具有类方格网格模式的不同类型碳片。他们发现，虽然这些材料在被直线拉伸时都非常坚硬，但其中一种材料——Twin T-graphene，在受到扭转时表现得完全像另一种物质。它对扭转的抵抗力比著名的二维碳材料标准石墨烯弱近五十倍，也比其自身抗拉伸强度的弱近三十倍。这意味着，当你试图拉伸这种材料时，它极其坚硬；但当你试图剪切它，即让它的层与层之间相互滑动时，它几乎毫不费力地就会屈服。
这种行为的奥秘在于 Twin T-graphene 片独特的架构。与平坦的原子层不同，这种材料是波浪状的（corrugated），即具有一种波浪形的、三层结构的形态。当施加扭转力时，原子并不会显著地拉伸其化学键或改变其角度，因为这通常需要消耗大量能量。相反，该片的两个外层围绕由中间层短键形成的中心轴向相反的方向旋转。想象一下两只手向相反方向扭转一条毛巾；毛巾之所以容易扭转，是因为织物围绕中心旋转，而不是因为纤维本身在拉伸。在这种碳片中，原子就像刚性块一样，仅仅围绕这些中心键进行旋转。这种内部的旋转吸收了几乎所有的扭转能量，使得材料在剪切方面表现出“柔软”的响应，同时其其他特性保持强韧和稳定。
研究人员证实，这种柔软性并非导致材料断裂的弱点或缺陷。他们在各种条件下（包括高温和大变形）测试了材料的稳定性，发现这种扭转机制能够维持运作。碳键保持完好，材料既没有坍塌也没有转化为另一种物质。即使加热到室温，该片仍能保持其结构，且扭转运动能够持续工作而不会导致化学键断裂。此外，该材料仍保持半导体特性，这意味着它仍能以受控的方式导电，这对于潜在的电子应用至关重要。研究还排除了这种行为是由材料过薄或具有特定厚度引起的可能性；其他具有相似厚度的碳片并未表现出这种极端的柔软性，这证明了原子的特定排列方式才是关键所在。
这一发现改变了科学家对材料强度极限的认知。它证明了由强化学键结合的固体晶体，可以自然地隔离出一种单一的柔软运动方式，而无需由独立的部件或铰链构建而成。研究人员展示了这种行为是由原子排列的对称性所决定的，即一种几何规则，它允许原子按照特定的模式运动，从而抵消掉对扭转的阻力。这一发现表明，其他具有类似内部对称性的材料可能也具备这些极端特性，为设计在需要时坚硬、在需要时灵活的材料提供了新路径。这项工作为寻找或创造能够吸收特定类型应力、同时在其他方面保持刚性的材料提供了一个清晰的蓝图，而这种能力此前只能通过复杂的工程手段而非天然化学性质来实现。
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