突破材料极限！这种二维超晶格膜，能抗 1800K 极端热冲击​ | 乐研试剂

在材料科学的世界里，有一个长期存在的难题：强度和韧性似乎总是 “鱼与熊掌不可兼得”。尤其是在二维材料领域，要让薄膜同时承受极端应变、剧烈温度变化并抵抗裂纹扩展，简直是难上加难。

但最近，中国科学家刘忠范院士团队研发的一种新型二维莫尔超晶格膜，彻底打破了这个 “魔咒”。它不仅像石墨烯一样坚固，还具备六方氮化硼的出色韧性，更能在 1800K 的高温冲击下 “安然无恙”，堪称材料界的 “超级英雄”(Adv.Mater.2025,e02792.DOI: 10.1002/adma.202502792)。

Section.01

材料界的 “矛盾体” 难题

二维材料（如石墨烯、六方氮化硼）凭借独特的物理化学特性，在先进电子、热管理、高效分离等领域被寄予厚望。但实际应用中，它们面临一个棘手问题：高强度材料往往很脆（比如石墨烯，虽然强度惊人，但一旦出现裂纹就会快速断裂）；高韧性材料又不够坚固（比如六方氮化硼，能通过裂纹偏转抵抗断裂，但整体强度不足）。为了兼顾两者，科学家们曾尝试添加缺陷或复合其他材料，却总会牺牲材料的固有性能。直到研究团队想到一个巧妙的办法：把石墨烯和六方氮化硼 “垂直堆叠” 起来，利用范德华力形成莫尔超晶格结构。

图1. 具有洁净界面的二维 hBN/石墨烯莫尔超晶格的设计与制备

Section.02

两种材料的 “完美联姻”

这种二维 hBN/Gr 莫尔超晶格膜的设计思路，就像给石墨烯穿上了一件 “韧性铠甲”：石墨烯层提供基础强度，保证材料能承受巨大的晶格应变；六方氮化硼层则负责 “化解危机”，通过裂纹偏转、分叉等方式释放能量，阻止断裂蔓延。实验显示，这种 “组合拳” 效果显著：其强度与双层石墨烯相当，平均极限应力达 71.8GPa；断裂韧性却远超石墨烯，能量释放率更高，裂纹扩展更稳定。更令人惊叹的是它的抗热冲击能力。在 10⁴K/s 的极速加热下（相当于瞬间从室温飙升到 1800K），经过 200 次循环后，仍有 95% 的膜保持完好。而同样条件下，双层石墨烯膜的完好率仅剩 50%。

图2. 具备优异耐热冲击性能的高稳健性二维 hBN/石墨烯莫尔超晶格膜

Section.03

显微镜下的 “断裂艺术”

通过透射电子显微镜观察发现，这种超晶格膜的断裂行为堪称 “教科书级别”：裂纹在六方氮化硼层中会自发偏转、分叉，形成粗糙的边缘，避免快速扩展；即使上层六方氮化硼出现局部孔隙，下层石墨烯也能 “另起炉灶”，在偏离缺陷的位置重新形成裂纹，进一步分散应力。分子动力学模拟还证实，扭转角度会影响材料性能 ——5° 扭转角的超晶格膜断裂韧性最高，这为精准调控材料性能提供了新思路。

图3. 体现其内在韧性的二维 hBN/石墨烯莫尔超晶格膜的力学性能

Section.04

从实验室到应用场景

这种 “刚柔并济” 的特性，让二维 hBN/Gr 超晶格膜在极端条件下大显身手。研究团队已成功用它作为支撑膜，通过闪速焦耳加热技术合成出均匀分布的高熵合金纳米颗粒（HEA-NPs）。高熵合金因优异的催化性能被广泛关注，但合成过程需要反复高温冲击，普通支撑膜难以承受。而这种超晶格膜不仅稳定支撑了合成过程，还能通过高分辨率电镜清晰观察纳米颗粒的结构 —— 其面心立方晶体结构和 8 种元素的均匀分布，都被完美记录下来。未来，它还可能应用于：极端环境下的电子显微镜支撑膜；高效传感器和高温热管理器件；非平衡化学合成中的稳定反应平台。

Section.05

改写材料设计规则

这项研究的意义，远不止于发明一种新型薄膜。它证明了通过范德华堆叠设计，可以让不同材料的优势互补，突破单一材料的性能极限。就像石墨烯和六方氮化硼的 “联姻”，既保留了各自的长处，又创造出 1+1>2 的新特性。或许在不久的将来，这种 “强强联合” 的设计思路，会让更多极端环境下的材料难题迎刃而解。

▐ 关于 乐研

乐研品牌隶属于上海皓鸿生物医药科技有限公司，是上市企业皓元医药（股票代码：688131）子公司。专注服务于医药研发领域，经过多年快速发展，已成为集研发、定制合成和销售于一体的高端试剂品牌。乐研拥有享誉业内的自主研发技术能力，秉承“研发实力打造高品质”的理念进行产品的开发，始终致力于为国内外化学和医药研发领域用户提供最优质的产品和最专业的服务，乐研开发和打造的产品系列主要包括： 90000+ 分子砌块、合成试剂、医药中间体和相关的仪器耗材。能满足用户从mg级到kg级、从标准化到定制化的实验室综合需求。

乐研的所有产品仅用作科学研究，我们不为任何个人用途提供产品和服务。