导语
2025 年 8 月 8 日，北京大学彭海琳教授、韦小丁研究员团队在《Advanced Materials》在线发表题为《Self-Toughened 2D Moiré Superlattice Membranes with Extreme Thermal Shock Tolerance》的研究长文（DOI: 10.1002/adma.202502792）。该工作设计并制备了厘米级悬空 hBN/石墨烯莫尔超晶格薄膜，在 1800 K、10⁴ K s⁻¹ 的焦耳热冲击循环中仍保持 95 % 结构完整度，并以此为反应平台首次实现了八元高熵合金纳米颗粒的闪速原位合成。
研究亮点
裂纹分叉增韧：hBN 层非对称晶格诱导裂纹偏转与分叉，使石墨烯层断裂韧性提升至 15.2 MPa·m^1/2。
极端热稳定性：200 次 1800 K 热冲击循环后 hBN/Gr 膜完整率 95 %，对照双层石墨烯仅 50 %。
高温原位合成：10 ms 内闪蒸焦耳加热制备 <15 nm 八元高熵合金纳米颗粒，元素分布均匀、晶体结构为单相 fcc。
图文解析
图1 材料设计与表征
• 单晶 hBN 在 Cu/Ni(111) 合金箔 1020 °C CVD 生长，单晶石墨烯在 Cu(111) 1000 °C CVD 生长。
• PMMA 辅助干法转移构建悬空莫尔超晶格，iDPC-STEM 截面显示层间距 3.6 Å，8.5° 扭转角莫尔条纹清晰。
• XPS、EELS、拉曼确认 B、N、C 元素化学计量且界面无杂质。
图2 力学性能与热震耐受性
• 纳米压痕：hBN/Gr 断裂力-针尖半径比 98.6 ± 12.0 N m⁻¹，略低于 BLG 128.0 ± 24.9 N m⁻¹。
• 闪蒸焦耳加热：1800 K、10⁴ K s⁻¹，200 次循环后 hBN/Gr 完整率 95 %，BLG 仅 50 %。
• SEM、HAADF-STEM 显示 hBN/Gr 无裂纹扩展，BLG 出现大面积撕裂。
图3 增韧机制解析
• 原位 TEM 观察到 hBN 层裂纹分叉角 35–45°。
• MD 模拟证实 hBN 裂纹曲折度 2.3，使石墨烯应力集中系数降低 37 %。
• 扭转角 5° 时断裂韧性达峰值 15.2 MPa·m^1/2，建立扭转角-韧性定量关系。
图4 高熵合金纳米颗粒高温原位合成
• 八元金属盐等摩尔混合于 hBN/Gr 膜表面，单脉冲 10 ms 闪蒸焦耳加热。
• STEM 粒径分布 11.2 ± 2.4 nm；HAADF-FFT 沿 [-211] 晶带轴分辨 0.21 nm (111) 晶格。
• EDX 面扫显示 Fe/Co/Ni/Cu/Zn/Pd/Pt/Au 均匀分布，无元素偏析。
总结与展望
本研究通过 hBN/石墨烯莫尔超晶格的自增韧裂纹分叉机制，突破了二维材料强度-韧性互斥瓶颈；依托其极端热稳定性，实现了高熵合金纳米颗粒的快速原位合成。该策略为航天热防护、核反应堆传感及高温催化提供了可直接落地的材料与工艺解决方案。未来工作可进一步探索扭转角梯度化对界面力学行为的深层调控，并拓展至多组元二维超晶格体系。
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