Tento 2D materiál je oveľa odolnejší ako grafén a vedci sú nadšení

Vetvenie v lomu vzorky h-BN. (J. Lou/Rice University)

Dvojrozmerný materiál s podobnými fyzikálnymi vlastnosťami ako grafén teraz sa ukázalo, že vyfúkne grafén z vody z hľadiska húževnatosti.

Materiál sa nazýva hexagonálny nitrid bóru (h-BN) a je taký odolný voči praskaniu, že vedci sú otrasení. Zistenie je v rozpore so základným opisom lomovej mechaniky, ktorý vedci používajú na predpovedanie a definovanie húževnatosti od 20. rokov minulého storočia.

'To, čo sme pozorovali v tomto materiáli, je pozoruhodné,' povedal materiálový vedec Jun Lou z Rice University . „Nikto nečakal, že to uvidí v 2D materiáloch. Preto je to také vzrušujúce.“



Šesťhranný nitrid bóru je v skutočnosti extrémne podobný grafénu. Oba materiály pozostávajú z hexagonálnych mriežok atómov. V prípade grafénu sú všetky tieto atómy uhlík; ale pre h-BN každý šesťuholník obsahuje tri atómy bóru a tri atómy dusíka.

Väzby uhlík-uhlík patria medzi najsilnejšie v prírode, takže sa očakáva, že grafén bude oveľa silnejší ako h-BN. Vo všeobecnosti je to pravda: Tieto dva materiály majú podobné hodnoty pevnosti a pružnosti, ale h-BN sú o niečo nižšie. Grafén má pevnosť asi 130 gigapascalov pre pevnosť a 1,0 terapascalov pre elasticitu; Hodnoty h-BN sú 100 gigapascalov a 0,8 terapascalov.

Grafén má však tiež nízku odolnosť voči prasklinám; inými slovami, je pozoruhodne krehký.

'Pred siedmimi rokmi sme merali lomovú húževnatosť grafénu a v skutočnosti nie je veľmi odolný voči lomu,' vysvetlil Lou . 'Ak máte trhlinu v mriežke, malý náklad tento materiál jednoducho rozbije.'

Predpokladalo sa, že keďže ostatné vlastnosti h-BN sú veľmi podobné vlastnostiam grafénu, jeho krehkosť by bola tiež porovnateľná – najmä preto, že krehkosť grafénu bola v súlade s Griffithovou teóriou lomu, navrhol inžinier Alan Arnold Griffith v roku 1921 . Zistil, že praskliny sa budú šíriť, keď je namáhanie materiálu väčšie ako sila, ktorá ho drží pohromade; a rozdiel v energii sa uvoľní pri šírení trhliny.

Keď to však tím výskumníkov otestoval, zistili niečo naozaj zvláštne: odolnosť h-BN voči zlomeninám je 10-krát vyššia ako odolnosť grafénu. To je určite nie v súlade s Griffithovou teóriou.

Aby tím zistil prečo, aplikoval napätie na vzorky h-BN pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie a transmisnej elektrónovej mikroskopie, aby do najmenších podrobností pozoroval, ako sa trhliny vyskytujú. A po viac ako 1000 hodinách experimentovania a následnej analýzy na to prišli.

Snímky z elektrónovej mikroskopie zobrazujúce jemné detaily zlomenín h-BN. (Yang a kol., Príroda, 2021)

Tieto dva materiály môžu byť podobné, ale nie sú úplne rovnaké. V graféne má trhlina tendenciu kľukatiť sa priamo cez symetrickú šesťuholníkovú štruktúru zhora nadol. h-BN má miernu asymetriu vo svojej šesťuholníkovej štruktúre v dôsledku kontrastu v napätí medzi bórom a dusíkom, čo znamená, že trhliny majú tendenciu sa rozdvojovať.

Vďaka tomu je materiál oveľa odolnejší.

'Ak je trhlina rozvetvená, znamená to, že sa otáča,' Povedal Lou . „Ak máte túto otočnú trhlinu, v podstate to stojí dodatočnú energiu, aby sa trhlina posunula ďalej. Takže ste efektívne spevnili svoj materiál tým, že ste sťažili šírenie trhliny.“

To má dôsledky pre vývoj flexibilných 2D materiálov na použitie v aplikáciách, ako je elektronika. A h-BN už má množstvo vlastností, ktoré z neho robia vynikajúcu perspektívu pre tieto aplikácie, vrátane jeho tepelnej odolnosti a chemickej stability.

Mohlo by teda poskytnúť nový spôsob vývoja technológií, ako sú elektronické textílie, nalepovacie elektronické tetovania a dokonca implantáty.

'To, čo robí túto prácu tak vzrušujúcou, je to, že odhaľuje vnútorný mechanizmus vytvrdzovania v údajne dokonale krehkom materiáli,' povedal mechanik Huajian Gao z technologickej univerzity Nanyang v Singapure .

'Zjavne ani Griffith nedokázal predvídať také drasticky odlišné lomové správanie v dvoch krehkých materiáloch s podobnými atómovými štruktúrami.'

Výskum bol publikovaný v r Príroda .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.