武汉大学《Matter》：发掘出最强最韧的材料

　　材料的强度和韧性对其应用是很重要的。一个线性的原子链，carbyne，曾被预测具有最高的强度和韧性。

　　在此，来自武汉大学的王正志和高恩来&美国得克萨斯大学达拉斯分校的RayH.Baughman等研究者，发现具有最高比强度和韧性的材料。相关论文以题为“The strongest and toughest predicted materials:Linear atomic chains without a Peierls instability”发表在Matter上。

　　线性原子链，由于其特殊的结构而具有极端的性质。在线性原子链(H链、B链、C链、P链、Au链和BN链)的预测和发现方面，人们做了大量的工作。线性原子链由于配位低和比表面积高，通常比其他同素异形体在壳上表现出更高的能量。例如，一些含有线性碳链的材料甚至会爆炸。因此，原子链的存在一直受到质疑。幸运的是，近年来发展出了几种制造原子链的方法，包括：(1)用其他同素异形体制造原子链，例如用石墨烯制造碳链，用h-BN制造氮化硼链；(2)从化学来源合成原子链，例如碳链的合成。由于它们在外壳上方的能量很高，有时稳定原子链是一项挑战。为此，人们已经开发了一些简单的技术，如从其他相机械推导出线性链，使用末端封顶基团进行稳定，以及使用碳纳米管(CNTs)作为限制宿主。

　　原子链可用于埃级器件和宏观纤维组件。原子链的强度和韧性，对于它们在实际应用中的应用很重要。许多类型的原子链的强度报告是有争议的，主要是因为报告的横截面积的变化。例如，采用碳链截面积为0.468、3.14和11.22Å2时，抗拉强度理论值分别为2501、373和104 GPa。为了避免关于横截面积的争议，重力强度(断裂力除以线性质量密度)是一种争议较小的衡量原子链强度的方法。因此，研究者使用比强度作为测量强度的标准，同时，使用比韧性作为衡量韧性的公制。线性C链有两种可能的结构[(=C=C=)和(-C≡C-)]。根据佩尔斯定理，每个原子有一个离域电子的线性金属单原子链应该二聚，从而转化为绝缘体。文献结果表明，线性C链具有二聚性，这归因于Peierls定理。在这里，研究者称这些直线C链为碳炔。据预测，碳炔具有最高的比强度和比韧性(分别为76.4 GPa g-1 cm3和9.4kJ g-1)，甚至比金刚石、碳纳米管和石墨烯等材料还要高。然而，由于佩尔斯不稳定性，碳炔含有交替的强三键和弱单键。在拉伸过程中，由于单键和三键之间的键交替程度增加，碳炔的机械强度和韧性降低，断裂发生在最长和最弱的键上。因此，还有待确定的是，是否存在其他原子链，它们对所有可达的拉伸应变都不具有佩尔斯不稳定性，因此，可能比碳炔具有更高的强度和韧性。据目前所知，基于GNN的方法尚未被报道用于任何晶体材料的phDOS或eDOS的预测。为了在本工作中建立一个基线GNN模型，研究者将GATGNN应用于频谱预测。

　　由于B、C和N可以形成高模量、高强度的材料(如金刚石和氮化硼的纤锌矿相)，这些元素重量轻，共价半径小，研究者分析了如图1A所示的B、C、N、BC、BN和CN链。第一性原理计算表明，线性B、C、BC和BN链转化为其他材料时存在显著的能垒，这表明它们具有亚稳态。这些计算表明，BC和B链的破坏应变(分别为25%和31%)远远大于C链(18%)。在这里，破坏应变定义为最大应力对应的应变。更有趣的是，线状BC链具有较高的比强度(91.8 GPa g-1 cm3)和韧性(15.3 kJ g-1)，而线状B链具有较高的比韧性(16.9 kJ g-1)，而线状B链具有较高的比韧性(76.4 GPa g-1 cm3和9.4kJ g-1)，它保持了先前最高比强度和最高比韧性材料的记录。这种较高的重力强度和韧性的主要原因是，即使当这些链被拉伸到失效，线性C链观察到的Peierls不稳定性在线性BC和B链中也不会发生。最后，研究者讨论了BC链和B链可能的制备和应用。

　　图1线性原子链的结构与稳定性。

　　图2线性原子链的力学性质。

　　图3计算模量、强度和韧性。

　　图4 B、C、BC链的原子和电子结构。

　　图5线性B、C和BC链在应变破坏附近的能量。

　　综上所述，通过第一性原理计算，研究者预测了B、C、N、BC、BN和CN线性原子链的性质。从声子谱和对机械扰动的响应来看，研究者证明了线性N链和CN链是不稳定的。线性C链具有佩尔斯不稳定性，随着张力的增加，这种不稳定性被放大。相反，研究者证明了线性B链和BC链中的键，在所有拉伸应变直至破坏时保持相等，表明完全不存在Peierls不稳定性。研究者的计算预测，线性BC链具有更高的比强度(91.8 GPa g−1 cm3)，而碳炔(76.4 GPa g−1 cm3)是此前报道的强度最高的材料。最有趣的是，预测的B链(16.9 kJ g−1)和BC链(15.3 kJ g−1)的比韧性要比碳炔链(9.4kJ g−1)高得多。据目前所知，还没有其他材料被预测或实验发现，具有比线性BC链更高的比强度和比线性BC链和B链更高的比韧性。