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)。

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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

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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 10?K/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

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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

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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。

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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。

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12、羧基化氧化石墨烯粉末 | Carboxylated graphene oxide powder | 7440-44-0 - 乐研试剂

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