We zijn bekend met scheuren in grote of kleine driedimensionale (3D) objecten, maar hoe dun, tweedimensionale (2-D) materialen barsten? 2-D materialen zoals molybdeendisulfide (MoS2), zijn naar voren gekomen als een belangrijke troef voor toekomstige elektronische en foto-elektrische apparaten. Echter, de mechanische eigenschappen van 2D-materialen zullen naar verwachting sterk verschillen van 3D-materialen. Wetenschappers van het Institute for Basic Science (IBS) hebben de eerste waarneming van 2-D MoS2-scheuren op atomair niveau gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Deze studie zal naar verwachting bijdragen aan de toepassingen van nieuwe 2D-materialen.

Wanneer een bepaalde kracht op een materiaal wordt uitgeoefend, vormt zich een scheur. Minder voor de hand liggend is hoe de vorm en de ernst van een scheur vanuit natuurkundig oogpunt te verklaren en te voorspellen. Wetenschappers willen onderzoeken welke breuken waarschijnlijk uitzetten en welke niet. Materialen worden beschreven als ductiel of bros:ductiele materialen, zoals goud, bestand zijn tegen grote spanningen voordat ze scheuren; broze materialen, zoals glas, kan relatief weinig energie absorberen zonder rek en vervorming voordat het plotseling breekt. Op nanoniveau is atomen bewegen vrijer in ductiele materialen dan in brosse materialen; dus in aanwezigheid van een trekkracht (trekspanning) kunnen ze uit positie gaan van de geordende kristalstructuur; in technische termen, ze ontwrichten. Tot dusver, deze verklaring (het Griffith-model) is toegepast op kraakverschijnselen in bulk, maar het ontbreekt aan experimentele gegevens op atomaire of nanoschaal.

In dit onderzoek, IBS-wetenschappers observeerden hoe scheuren zich voortplanten in 2-D MoS2 nadat een porie spontaan of met een elektronenstraal was gevormd. "Het moeilijkste punt {van de experimenten} was om de elektronenstraal te gebruiken om de porie te creëren zonder andere defecten te veroorzaken of het monster te breken, " legt Thuc Hue Ly uit, eerste auteur van deze studie. "Dus moesten we snel zijn en een minimale hoeveelheid energie gebruiken."

De atomaire waarnemingen werden gedaan met behulp van real-time transmissie-elektronenmicroscopie. Verrassend genoeg, ook al is MoS2 een bros materiaal, het team zag atoomdislocaties op drie tot vijf nanometer (nm) afstand van de frontlinie van de scheur, of barstpunt. Deze waarneming is niet te verklaren met het Griffith-model.

Om omstandigheden te creëren die de natuurlijke omgeving vertegenwoordigen, het monster werd blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht. Hierdoor oxideerde de MoS2; atoomdislocaties vonden sneller plaats en het uitgerekte gebied breidde zich uit tot vijf tot 10 nm vanaf de scheurtip.

"De studie toont aan dat scheuren in 2D-materialen fundamenteel anders is dan scheuren in 3D-ductiele en brosse materialen. Deze resultaten kunnen niet worden verklaard met de conventionele materiaalfalentheorie, en we suggereren dat er een nieuwe theorie nodig is, ", legt professor LEE Young Hee (CINAP) uit.