Zoals de meeste materialen, een elastische band wordt dunner als deze wordt uitgerekt. Maar sommige materialen gedragen zich juist andersom:ze worden dikker als ze worden uitgerekt en dunner als ze worden samengedrukt. Deze contra-intuïtieve stoffen, bekend als auxetische materialen, hebben meestal een hoge weerstand tegen afschuiving of breuk en worden gebruikt in toepassingen zoals medische implantaten en sensoren. Maar typisch, dit auxetische effect wordt alleen waargenomen wanneer het materiaal in een bepaalde richting wordt vervormd.

Nutsvoorzieningen, Minglei Sun en Udo Schwingenschlögl hebben voorspeld dat een groep op koolstof gebaseerde materialen, gevormd tot atoomdunne platen, zou dit auxetische effect in alle richtingen moeten vertonen. Dit fenomeen is nog nooit eerder waargenomen in 2D anisotroop materiaal, een groeiende familie van platte materialen die verschillende potentieel auxetische materialen bevatten.

De KAUST-onderzoekers berekenden verschillende belangrijke kenmerken van drie 2D-materialen, koolstofsulfide genaamd, koolstofselenide en koolstoftelluride, die koolstof verenigen met elementen die gezamenlijk bekend staan ​​als chalcogenen. De berekeningen zijn gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie, een veelgebruikte benadering gebaseerd op de kwantummechanica, en ze beschrijven kenmerken van de materialen zoals hun structurele stabiliteit, mechanisch gedrag en elektronische eigenschappen.

Alle auxetische materialen hebben een negatieve Poisson-verhouding, een getal dat beschrijft hoe een materiaal vervormt wanneer het wordt uitgerekt of samengedrukt. Maar de onderzoekers ontdekten dat de drie materialen uniek auxetisch zijn omdat ze een omnidirectionele negatieve Poisson-verhouding hebben. "We waren verrast dat we een reeks 2D-anisotrope materialen vonden met een negatieve Poisson-verhouding in alle richtingen, " zegt Zon.

De berekeningen van Sun en Schwingenschlögl voorspellen dat alle drie de materialen stabiel moeten zijn bij kamertemperatuur, wat suggereert dat het mogelijk is om ze te synthetiseren en te isoleren. Ze verklaren ook het omnidirectionele auxetische effect van de materialen in termen van hun kristalstructuren en chemische binding. Koolstoftelluride vertoont het sterkste auxetische effect, die in alle richtingen groter is dan de hoogste waarden die worden gezien in de meeste andere 2D-auxetische materialen. Het heeft ook de hoogste breukspanning van de drie materialen die door de KAUST-onderzoekers zijn onderzocht.

Volgens de ploeg de materialen moeten halfgeleiders zijn die nabij-infrarood of zichtbaar licht kunnen absorberen. De drie koolstofchalcogeniden "bleken directe of quasi-directe bandgap-halfgeleiders te zijn met een indrukwekkende absorptie van zonnestraling, ", zegt Sun. Dit houdt in dat de materialen nuttig kunnen zijn in fotovoltaïsche apparaten of als door licht aangedreven katalysatoren. "Onze volgende stap is om meer 2D-auxetische materialen te voorspellen met een negatieve Poisson-verhouding in alle richtingen, ", zegt Schwingenschlögl.