编辑推荐：微裂纹对材料性能有重要影响，还没有实验能够在原子尺度观察到固体材料内部正处于运动状态的裂纹。本文通过先进TEM技术直接观察到了处于运动的裂纹的裂纹尖端结构，并进行了前所未有的原子级成像，测量了仅由几个原子组成的裂纹尖端处的原子应变。此项工作有助于人们对于材料中裂纹形成，扩展和愈合过程建立普适性的理解。

微裂纹的形成和扩展是整个断裂力学和材料力学的基础，学界已经对此研究了近150年。众所周知，在裂纹扩展前端有一个应力集中区域，称为裂纹尖端区，按照线性断裂理论，裂纹尖端区域应变发散，其中的原子过程控制着材料主要的断裂行为。

尽管描述固体断裂行为的连续介质理论十分成功，但是迄今尚未有成熟理论能准确地描述裂纹尖端区域内部的结构和应力（特别是脆性材料的裂纹尖端区域的大小仅为纳米尺度）。原子模拟等方法可以提供一些间接的理解，但是还没有实验能够在原子尺度观察到固体材料内部正处于运动状态的裂纹。

由香港理工大学赵炯和香港城市大学李淑惠领导的研究小组着眼于上述问题，通过先进透射电子显微方法直接观察到了完全脆性材料中可移动的裂纹尖端的原子结构，并且测量了原子尺度应变和断裂韧性。在他们近期发表在Physical Review Letters的一项工作中，通过原位扫描透射电子显微镜对二维ReS2中正处于运动的裂纹的裂纹尖端结构进行了前所未有的原子级成像。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.246102

特别是，他们测量了仅由几个原子组成的裂纹尖端处的原子应变。这为理解裂纹尖端的原子在化学键断裂之前如何承受超大的应变提供了实验证据。实验直接表明，由于晶格束缚作用，裂纹的扩展在原子尺度上离散地（相对于连续介质力学中裂纹的连续扩展）发生。原位实验也已经阐明裂纹尖端的局域原子结构，这一实验允许人们以前所未有的空间分辨率和应变精度，来建立理论模型从而预测材料的机械性能。此项工作有助于人们对于材料中裂纹形成，扩展和愈合过程建立普适性的理解。本项工作也为材料力学和断裂力学的实验研究建立了一种在透射电镜中原位观察原子尺度裂纹扩展的全新方法。

博士生黄玲莉，郑方圆，施国辉，淮阴师范邓庆明教授，香港理工刘树平教授，香港城大李振声教授，香港科大王宁教授，剑桥大学Manish Chhowalla教授，麻省理工李巨教授等参与了本项研究。这项工作被Physical Review Letters选择为Editor’s Suggestion, 并被Physics 作为viewpoint报道。报道链接：https://physics.aps.org/articles/v13/193

图一，原子尺度实时观察裂纹的愈合（0-13s）和扩展（13-26s）

图二，原子尺度实时观察单层二维ReS2断裂过程

图三，原子尺度测量裂纹尖端应变

图四，原子尺度观察双层ReS2断裂

图五，断裂的动态过程（GIF）

该研究小组最近完成的另一项工作发表在Science Advances （DOI: 10.1126/sciadv.abc2282）上，阐述了二维ReS2独特的断裂模式，通过高分辨率扫描透射电子显微镜发现晶格重构过程伴随着模式I（面内拉伸）和模式III（面外剪切）断裂过程，而面内剪切应变下的模式II断裂可能导致断裂表面的重新原子级堆叠。这些在原子尺度对材料断裂行为的新的理解将促进这些二维原子层材料的未来应用。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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