摘要：由二维（2D）构建单元组成的范德华（vdW）材料具有强的面内共价键结合力和较弱的层间相互作用。尽管单层2D材料（如六方氮化硼 h-BN）表现出优异的抗断裂能力，但在vdW材料中保持这些卓越的力学特性仍然是一个挑战。

成果简介

由二维（2D）构建单元组成的范德华（vdW）材料具有强的面内共价键结合力和较弱的层间相互作用。尽管单层2D材料（如六方氮化硼 h-BN）表现出优异的抗断裂能力，但在vdW材料中保持这些卓越的力学特性仍然是一个挑战。

在此，莱斯大学娄俊团队以及清华大学高华健院士等人携手在Nature Materials期刊上发表了题为“Flaw-size-dependent mechanical interlayer coupling and edge-reconstruction embrittlement in van der Waals materials”的最新论文。

本研究揭示了一种异常的力学层间耦合机制，该机制涉及层间摩擦增韧和边缘重构脆化，这些机制在多层 h-BN 的断裂过程中发挥作用。研究发现了两种断裂模式——异步断裂和同步断裂，并揭示了它们对缺陷尺寸的依赖性。

在同步断裂模式下，边缘重构会消除单层 h-BN 由于晶格不对称性引起的增韧机制，从而导致多层 h-BN 的脆化，而异步断裂模式则增强了抗断裂能力。这一发现为工程化调控 vdW 材料（包括异质结和层状结构）的层间相互作用，以优化其力学和功能性能提供了基本指导。他们利用偏振分辨光电流测量来探测魔角扭曲双层石墨烯，利用其对Berry连接的敏感性，捕捉电子波函数的量子“纹理”。

研究亮点1. 实验首次研究了AA′ 堆叠的多层六方氮化硼（MBN）材料的断裂行为，揭示了两种不同的断裂模式，即异步断裂模式和同步断裂模式，并定量分析了其缺陷尺寸依赖性。2. 实验通过原位定量拉伸测试和多尺度力学分析，发现AA′ 堆叠的MBN在不同缺陷尺寸下分别表现出增韧和脆化效应。具体而言，在同步断裂模式下，边缘重构消除了由晶格不对称性引起的增韧机制，导致MBN的脆化；而在异步断裂模式下，MBN展现出更高的抗断裂能力。3. 通过对裂纹边缘的表征分析，研究表明，MBN的断裂模式受层间摩擦和面内晶格不对称性影响，且裂纹传播路径的特征在不同断裂模式下有所不同。这一发现为调控MBN和其他vdW材料的层间力学耦合提供了重要的指导。

图文解读

图1：MBN 的原位定量拉伸测试。

图2：MBN 在拉伸测试后的裂纹边缘表征。

图3：MBN 中双重断裂模式的理想KI场分析。

图4：MBN 断裂模式的缺陷尺寸依赖性。

结论展望

本文的研究揭示了多层氮化硼（MBN）在断裂过程中的层间机械耦合效应，尤其是层间摩擦与边缘重构对断裂行为的影响，提供了对范德华材料（vdW 材料）断裂机制的深刻理解。研究表明，层间摩擦能够引起异步断裂行为，延缓裂纹扩展，进而提高材料的抗断裂性能。而在边缘重构的作用下，强层间耦合则可能导致同步断裂行为，体现出缺陷尺寸对断裂模式的显著影响。这一发现对工程化层间相互作用、设计更为坚韧的 vdW 材料具有重要意义，尤其是在多层材料和异质结构的设计中，提供了优化力学性能的思路。通过改变缺陷尺寸和堆叠顺序等参数，能够实现从增韧到脆化的转变，这为下一代高性能材料的设计提供了有力支持。此外，随着 2.5D 材料的兴起，这一研究成果有望推动新型纳米材料和层状结构的应用，拓展其在高强度、耐磨损等领域的应用前景，具有广泛的应用潜力。

文献信息

Song, Z., Zhang, B., Yang, Y. et al. Flaw-size-dependent mechanical interlayer coupling and edge-reconstruction embrittlement in van der Waals materials. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02194-x

来源：朱老师讲VASP