材料科學迎來突破性進展——新型碳基材料「單層無定形碳」（Monolayer Amorphous Carbon, MAC）的誕生。該材料由新加坡國立大學（NUS）與萊斯大學（Rice University）科學家合作研發，以其卓越的強度與韌性，引發學術界的廣泛關注。
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強度與脆性的難題
即使是最堅硬的材料，在壓力下仍難以避免裂痕的產生，這一直是材料科學家試圖克服的挑戰。石墨烯雖然擁有極高的強度，但由於其易脆裂的特性，一旦出現裂縫，便會迅速擴展並導致結構崩壞，限制了其實際應用。
MAC 的獨特結構：兼具強度與韌性
MAC 的發現成功打破了強度與韌性之間的矛盾。與石墨烯一樣，MAC 也是二維或單原子厚的材料。但與石墨烯不同的是MAC 並非完全結晶，而是由結晶區域與非晶區域交織而成的複合材料。這種特殊結構不僅保有石墨烯的高強度，更賦予其超越石墨烯八倍的韌性。正是這種複合結構賦予了 MAC 特有的韌性，這表明複合設計方法可能是降低 2D 材料脆性的有效方法。
萊斯大學材料科學與奈米工程研究生、該研究的第一作者 Bongki Shin 表示：「這種獨特的結構能有效抑制裂縫擴展，使材料在斷裂前吸收更多能量。」
拓展二維材料的應用潛力
二維材料因其獨特的物理與化學特性，在電子產品、能源儲存、感測器與穿戴式科技等領域具備廣泛應用前景。然而，其固有的脆性始終是影響實際應用的一大障礙。
為了克服這一挑戰，科學家提出了兩種增韌策略：
外在增韌——在薄膜中添加強化奈米結構。
內在增韌——透過改變材料內部結構來提升韌性。
MAC 的結構為研究奈米複合材料的斷裂韌性提供了理想的參考模型，證明了內在增韌策略的可行性。
科學驗證與未來發展
研究人員利用掃描電子顯微鏡進行原位拉伸測試，實時觀察 MAC 中裂縫的形成與擴展過程。同時，麻省理工學院（MIT）的 Markus Buehler 團隊透過分子動力學模擬，從原子層面分析晶體與非晶區域的混合如何影響材料的斷裂能量。
「在原子尺度上合成與成像超薄無序材料極具挑戰性，這在過去是難以實現的。」萊斯大學材料科學與奈米工程助理教授、該研究的通訊作者 Yimo Han 表示，「得益於奈米材料合成與高解析度成像技術的發展，我們發現了一種無需額外層，即可顯著提升二維材料韌性的新方法。」
該研究成果已發表於國際學術期刊《Matter》，為未來二維材料的設計與應用開闢了新的可能性。這一發現不僅為突破材料脆性提供了有效策略，也為高性能電子元件、柔性設備與先進感測器的發展奠定了基礎。
文獻參考
- 突破性二維材料「單層無定形碳」問世，韌性遠超石墨烯八倍
- A New Carbon Super-Material Is 8x Tougher Than Graphene
- “單層非晶態碳奈米複合材料的內在增韌”，作者：Bongki Shin、Bo Ni、Chee-Tat Toh、Doug Steinbach、Zhenze Yang、Lucas M. Sassi、Qing Ai、Kangdi Niu、Junhao Lin、Kazu Suenaga、Yimo Han、Markus J. Buehler、Marku、Hyaal 395 月 75 月，25 月 25 月 25月。 DOI: 10.1016/j.matt.2025.102000
（首圖來源：Gustavo Raskoksy/萊斯大學)
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