(Phys.org) —Geïnteresseerd in een ultrasnelle, onbreekbaar, en flexibele smartphone die binnen enkele seconden is opgeladen? Monolayer materialen kunnen het mogelijk maken. Deze atoomdunne platen, waaronder het beroemde supermateriaal grafeen, hebben uitzonderlijke en onaangeboorde mechanische en elektronische eigenschappen. Maar om deze atomair op maat gemaakte wondermaterialen ten volle te benutten, wetenschappers moeten de geheimen ontrafelen van hoe en waarom ze buigen en breken onder stress.

Gelukkig, onderzoekers hebben nu het breekmechanisme van verschillende monolaagmaterialen vastgesteld die honderden keren sterker zijn dan staal met exotische eigenschappen die een revolutie teweeg kunnen brengen in alles, van bepantsering tot elektronica. Een team van Columbia University gebruikte supercomputers in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om kwantummechanische processen te simuleren en te onderzoeken die buitengewoon moeilijk experimenteel te onderzoeken zouden zijn.

Ze ontdekten dat het spannen van de materialen een nieuwe faseovergang veroorzaakte - een herstructurering in hun bijna perfecte kristallijne structuren die leidt tot instabiliteit en falen. Verrassend genoeg, het fenomeen bleef bestaan ​​​​in verschillende materialen met ongelijksoortige elektronische eigenschappen, wat suggereert dat monolagen intrinsieke instabiliteiten kunnen hebben die moeten worden overwonnen of geëxploiteerd. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

"Onze berekeningen hebben de fundamentele verschuivingen in structuur en karakter van deze monolaagmaterialen blootgelegd wanneer ze worden belast, "Zei co-auteur van de studie en Columbia University PhD-kandidaat Eric Isaacs. "Het was enorm opwindend om voor het eerst de prachtige patronen te zien die deze materialen op hun breekpunten vertonen, en belangrijk voor toekomstige toepassingen."

Het team onderzocht virtueel deze exotische faseovergang in grafeen, boornitride, molybdeendisulfide, en grafaan - allemaal veelbelovende monolaagmaterialen.

Gesimuleerde verbrijzeling

Monolaag materialen ervaren spanning op atomaire schalen, andere onderzoeksexpertise vragen dan die van de gemiddelde sloopploeg. Isaacs en zijn medewerkers wendden zich tot een wiskundig raamwerk genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om de kwantummechanische processen te beschrijven die zich in de materialen ontvouwen.

"Met DFT kunnen we materialen rechtstreeks bestuderen vanuit fundamentele natuurwetten, waarvan de resultaten direct kunnen worden vergeleken met experimentele gegevens, " zei Chris Marianetti, een professor in materiaalkunde aan de Columbia University en co-auteur van de studie. "Wij leveren de fundamentele constanten en de kernen van het materiaal, en met behulp van DFT kunnen we de werkelijke eigenschappen van het materiaal onder verschillende omstandigheden nauwkeurig benaderen."

In dit onderzoek, DFT-berekeningen onthulden de atomaire structuren van de materialen, stress waarden, vibrerende eigenschappen, en of ze als metalen fungeerden, halfgeleiders, of isolatoren onder spanning. Het schakelen tussen of het in stand houden van die geleidende eigenschappen is vooral belangrijk voor toekomstige toepassingen in de micro-elektronica.

"Het testen van alle verschillende atomaire configuraties voor elk materiaal dat onder spanning staat, komt neer op een enorme hoeveelheid berekeningen, Isaacs zei. "Zonder de zeer parallelle supercomputerbronnen en expertise in Brookhaven, het zou bijna onmogelijk zijn geweest om deze overgang in gespannen monolagen te lokaliseren."

Twisted Atomic Half-Pipe

Alles gaat kapot onder genoeg stress, natuurlijk, maar niet alles verandert gaandeweg betekenisvol. Een buigende eikentak, bijvoorbeeld, komt niet in een vreemde overgangsfase terwijl het naar zijn breekpunt kruipt - het klikt gewoon. Monolaag materialen, het blijkt, spelen volgens heel andere regels.

Binnen de honingraatachtige roosters van monolagen zoals grafeen, boornitride, en grafaan, de atomen trillen snel op hun plaats. Verschillende trillingstoestanden, die veel van de mechanische eigenschappen van het materiaal dicteren, worden "modi" genoemd. Omdat de perfecte hexagonale structuren van dergelijke monolagen worden gespannen, ze komen in een subtiele "zachte modus" - de vibrerende atomen glijden los van hun oorspronkelijke configuratie en vervormen naar nieuwe structuren als de materialen breken.

"Stel je een skateboarder voor in een halfpipe, "Zei Isaacs. "Normaal gesproken, de schaatser glijdt heen en weer, maar blijft gecentreerd over de bodem. Maar als we die halfpipe genoeg verdraaien en vervormen, de skateboarder rolt uit en keert nooit meer terug - dat is net als deze zachte modus waarbij de trillende atomen weg bewegen van hun posities in het rooster."

Zachtjes brekend

De onderzoekers ontdekten dat deze vibrerende zachte modus slepende, onstabiele vervormingen in de meeste bekende monolaagmaterialen. In het geval van grafeen, boornitride, en grafaan, de ruggengraat van het perfecte kristalrooster vervormd naar geïsoleerde hexagonale ringen. De vervorming in de zachte modus brak uiteindelijk grafeen, boornitride, en molybdeendisulfide.

Omdat de monolagen werden gespannen, de energetische kosten van het veranderen van de lengte van de bindingen werden aanzienlijk zwakker - met andere woorden, onder voldoende spanning, de opkomende zachte modus moedigt de atomen aan om zichzelf te herschikken in onstabiele configuraties. Dit bepaalt op zijn beurt hoe men die spanning kan beheersen en de monolaagprestaties kan afstemmen.

"Ons werk toont aan dat het faalmechanisme van de zachte modus niet uniek is voor grafeen en suggereert dat het een intrinsiek kenmerk kan zijn van monolaagmaterialen, ' zei Isaak.

Monolaagrenovaties

Gewapend met deze kennis, onderzoekers kunnen nu misschien uitvinden hoe ze het begin van de nieuw gekarakteriseerde instabiliteiten kunnen vertragen en de sterkte van bestaande monolagen kunnen verbeteren. Verder dan dat, wetenschappers kunnen misschien zelfs nieuwe ultrasterke materialen ontwikkelen die anticiperen op de zwakte van de zachte modus en deze overwinnen.

"Voorbij de sensatie van de ontdekking, dit werk is onmiddellijk nuttig voor een grote gemeenschap van onderzoekers die enthousiast zijn om meer te weten te komen over grafeen en zijn neven en nichten, en deze te exploiteren, " zei Isaacs. "Bijvoorbeeld, we hebben samengewerkt met Columbia-experimentalisten die een techniek gebruiken die 'nano-indentatie' wordt genoemd om experimenteel te meten wat we hebben gesimuleerd."

Belangrijkste leerpunten

• Grafeen en andere monolaagmaterialen hebben exotische elektronische en mechanische eigenschappen - atomair dun, ultra licht, en sterker dan staal. Maar hoe transformeren deze veelbelovende materialen en bezwijken ze onder spanning?
• Wat hebben de wetenschappers geleerd? Ze lokaliseerden de breekpunten en faalmechanismen van deze atoomdunne supermaterialen. Bij stress, er ontstaan ​​zogenaamde "zachte modus"-instabiliteiten die karakteristieke atomaire herconfiguraties veroorzaken - verrassend genoeg, dit gedrag hield aan over verschillende monolaagmaterialen.
• Hoe hebben ze het gedaan? Met behulp van kwantummechanische wetten en supercomputers, ze simuleerden de atomaire structuur en vibratiemodi van materialen onder verschillende gradaties van dwang. Wetenschappers hebben deze monolaagmaterialen zo gespannen en onder druk gezet dat ze bijna kapot gingen.
• Wat is de impact? Alles, van micro-elektronica tot krachtige, lichtgewicht pantser kan worden verbeterd door te begrijpen hoe monolaagmaterialen presteren onder stress.