編輯推薦：微裂紋對材料性能有重要影響，還沒有實驗能夠在原子尺度觀察到固體材料內部正處於運動狀態的裂紋。本文通過先進TEM技術直接觀察到了處於運動的裂紋的裂紋尖端結構，並進行了前所未有的原子級成像，測量了僅由幾個原子組成的裂紋尖端處的原子應變。此項工作有助於人們對於材料中裂紋形成，擴展和癒合過程建立普適性的理解。
微裂紋的形成和擴展是整個斷裂力學和材料力學的基礎，學界已經對此研究了近150年。眾所周知，在裂紋擴展前端有一個應力集中區域，稱為裂紋尖端區，按照線性斷裂理論，裂紋尖端區域應變發散，其中的原子過程控制著材料主要的斷裂行為。
儘管描述固體斷裂行為的連續介質理論十分成功，但是迄今尚未有成熟理論能準確地描述裂紋尖端區域內部的結構和應力（特別是脆性材料的裂紋尖端區域的大小僅為納米尺度）。原子模擬等方法可以提供一些間接的理解，但是還沒有實驗能夠在原子尺度觀察到固體材料內部正處於運動狀態的裂紋。
由香港理工大學趙炯和香港城市大學李淑惠領導的研究小組著眼於上述問題，通過先進透射電子顯微方法直接觀察到了完全脆性材料中可移動的裂紋尖端的原子結構，並且測量了原子尺度應變和斷裂韌性。在他們近期發表在Physical Review Letters的一項工作中，通過原位掃描透射電子顯微鏡對二維ReS2中正處於運動的裂紋的裂紋尖端結構進行了前所未有的原子級成像。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.246102
特別是，他們測量了僅由幾個原子組成的裂紋尖端處的原子應變。這為理解裂紋尖端的原子在化學鍵斷裂之前如何承受超大的應變提供了實驗證據。實驗直接表明，由於晶格束縛作用，裂紋的擴展在原子尺度上離散地（相對於連續介質力學中裂紋的連續擴展）發生。原位實驗也已經闡明裂紋尖端的局域原子結構，這一實驗允許人們以前所未有的空間解析度和應變精度，來建立理論模型從而預測材料的機械性能。此項工作有助於人們對於材料中裂紋形成，擴展和癒合過程建立普適性的理解。本項工作也為材料力學和斷裂力學的實驗研究建立了一種在透射電鏡中原位觀察原子尺度裂紋擴展的全新方法。
博士生黃玲莉，鄭方圓，施國輝，淮陰師範鄧慶明教授，香港理工劉樹平教授，香港城大李振聲教授，香港科大王寧教授，劍橋大學Manish Chhowalla教授，麻省理工李巨教授等參與了本項研究。這項工作被Physical Review Letters選擇為Editor’s Suggestion, 並被Physics 作為viewpoint報導。報導連結：https://physics.aps.org/articles/v13/193
圖一，原子尺度實時觀察裂紋的癒合（0-13s）和擴展（13-26s）
圖二，原子尺度實時觀察單層二維ReS2斷裂過程
圖三，原子尺度測量裂紋尖端應變
圖四，原子尺度觀察雙層ReS2斷裂
圖五，斷裂的動態過程（GIF）
該研究小組最近完成的另一項工作發表在Science Advances （DOI: 10.1126/sciadv.abc2282）上，闡述了二維ReS2獨特的斷裂模式，通過高解析度掃描透射電子顯微鏡發現晶格重構過程伴隨著模式I（面內拉伸）和模式III（面外剪切）斷裂過程，而面內剪切應變下的模式II斷裂可能導致斷裂表面的重新原子級堆疊。這些在原子尺度對材料斷裂行為的新的理解將促進這些二維原子層材料的未來應用。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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