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我院高恩来课题组极致力学性能研究取得新进展

发布日期:2022-02-18 作者: 来源: 点击数:

近日Cell姊妹刊《Matter》(《物质》)刊登了我校土建学院力学系高恩来课题组关于极致力学性能的研究成果。论文题目为“The strongest and toughest predicted materials: Linear atomic chains without a Peierls instability” (预测最强最韧材料:无派尔斯不稳定性的原子链)。该工作发掘设计出已知最强最韧物质形态,揭示了极致力学性能的物理机制。

高恩来副教授为第一及共同通讯作者,共同作者还包括我校2021级研究生郭雍哲、王正直副教授与美国德克萨斯大学达拉斯分校Steven Nielsen教授、Ray Baughman教授。武汉大学为第一署名单位与通讯单位。



线性原子链是一种极致物质形态,其化学键全部沿轴取向,因而具有优异抗拉力学特性。线性碳链 (linear carbon chains) 此前曾被认为是已知最强最韧材料,例如其比抗拉强度分别为石墨烯与金刚石的1.53.2倍。然而,线性碳链具有派尔斯不稳定性,其键合结构分化为单三键交替,这种分化随拉伸应变会进一步加剧,其断裂力学性能由最弱化学键决定。

为了获取更高力学性能的物质形态,高恩来课题组开展了物理力学设计工作。课题组前期基于上万种晶体结构-性能关联的数据驱动研究表明,轻质元素 (硼、碳、氮) 易于形成轻质高模高强材料 (Chem. Mater., 2021, 33: 1276)。源于对超高力学性能物质结构组分特征 (化学键短而强、沿轴取向度、致密排布) 的理论认知,课题组基于硼、碳、氮元素设计筛选出多种化学稳定、性能优异的线性原子链晶体结构,其中线性碳化硼链的比强度和比断裂功 (92 GPa·g-1·cm315.3 kJ·g-1) 显著高于线性碳链 (76 GPa·g-1·cm39.4 kJ·g-1),分别为石墨烯与金刚石的1.83.8倍,而其比强度接近于理论估计极限 (104 GPa·g-1·cm3)。电子结构分析表明,在拉伸直到断裂应变之前,线性碳化硼链的化学键协调一致变形,无派尔斯不稳定性。其物理机制是原子结构保持对称的稳定驱动力 (电子动能) 与失稳驱动力 (电子和离子之间静电相互作用) 相互竞争,稳定驱动力占优。该机制为从原子尺度设计超高力学性能材料提供了启发。





该工作得到了中国国家自然科学基金委与美国威奥切基金会 (The Robert A. Welch Foundation) 的资助,理论计算在武汉大学超级计算中心完成。高恩来博士自2018年加入力学系以来,主要从事固体物理力学研究。先后确定了若干基础力学性能的理论边界 (JMPS, 2021, 152: 104409),力学设计出多种性能接近于理论边界的物质形态与高性能多功能材料,包括已知最高模量纤维材料形态 (ACS Nano, 2020, 14: 17071)、已知最强最韧物质形态 (Matter, 2022),已知最高模量类金刚石晶体结构 (Chem. Mater., 2021, 33: 1276)、高强度负泊松比薄膜 (Nat. Commun., 2019, 10: 2446)、高性能多功能纤维(Science, 2019, 365: 150; Science, 2019, 366: 216)等。近五年相关成果发表SCI论文50余篇,被他引1500余次。


论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.021


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