Een keramiek dat meer elektrisch geleidend wordt onder elastische belasting en minder geleidend onder plastische belasting, zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie sensoren ingebed in constructies zoals gebouwen, bruggen en vliegtuigen in staat om hun eigen gezondheid in de gaten te houden.

De elektrische ongelijkheid die door de twee soorten spanning werd bevorderd, was niet duidelijk totdat Rouzbeh Shahsavari van Rice University, een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalkunde en nano-engineering, en zijn collega's hebben een nieuwe tweedimensionale verbinding gemodelleerd, grafeen-boor-nitride (GBN).

Onder elastische belasting, de interne structuur van een materiaal dat is uitgerekt als een rubberen band, verandert niet. Maar hetzelfde materiaal onder plastische spanning - in dit geval veroorzaakt door het ver genoeg uit te rekken tot voorbij de elasticiteit om te vervormen - vervormt het kristalrooster. GBN, het blijkt, vertoont telkens verschillende elektrische eigenschappen, waardoor het een waardige kandidaat is als structurele sensor.

Shahsavari had al vastgesteld dat hexagonaal boornitride - ook wel wit grafeen genoemd - de eigenschappen van keramiek kan verbeteren. Hij en zijn collega's hebben nu ontdekt dat het toevoegen van grafeen ze nog sterker en veelzijdiger maakt, samen met hun verrassende elektrische eigenschappen.

De magie ligt in het vermogen van tweedimensionale, op koolstof gebaseerd grafeen en wit grafeen om op verschillende manieren met elkaar te binden, afhankelijk van hun relatieve concentraties. Hoewel grafeen en wit grafeen van nature water vermijden, waardoor ze gaan klonteren, de gecombineerde nanosheets verspreiden zich gemakkelijk in een slurry tijdens de vervaardiging van het keramiek.

Het resulterende keramiek, volgens de theoretische modellen van de auteurs, zouden afstembare halfgeleiders worden met verbeterde elasticiteit, sterkte en taaiheid.

Het onderzoek onder leiding van Shahsavari en Asghar Habibnejad Korayem, een assistent-professor structurele engineering aan de Iran University of Science and Technology en een research fellow aan de Monash University in Melbourne, Australië, verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

Grafeen is een goed bestudeerde vorm van koolstof die bekend staat om het ontbreken van een band gap - het gebied dat een elektron moet overspringen om een ​​materiaal geleidend te maken. Zonder bandgap, grafeen is een metalen geleider. Wit grafeen, met zijn brede bandgap, is een isolator. Dus hoe groter de verhouding van grafeen in de 2D-verbinding, hoe meer geleidend het materiaal zal zijn.

Vermengd in het keramiek in een voldoende hoge concentratie, de 2-D-verbinding genaamd GBN zou een netwerk vormen dat zo geleidend is als de hoeveelheid koolstof in de matrix toelaat. Dat geeft de algehele composiet een afstembare bandafstand die zich zou kunnen lenen voor een verscheidenheid aan elektrische toepassingen.

"Het samensmelten van 2D-materialen zoals grafeen en boornitride in keramiek en cement maakt nieuwe samenstellingen en eigenschappen mogelijk die we niet kunnen bereiken met grafeen of boornitride op zich. ' zei Shahsavari.

Het team gebruikte berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie om variaties van de 2D-verbinding gemengd met tobermoriet te modelleren, een calciumsilicaathydraatmateriaal dat gewoonlijk wordt gebruikt als cement voor beton. Ze bepaalden dat de zuurstof-boorbindingen die in het keramiek werden gevormd, het in een p-type halfgeleider zouden veranderen.

Tobermoriet zelf heeft een grote bandafstand van ongeveer 4,5 elektronvolt, maar de onderzoekers berekenden dat wanneer gemengd met GBN-nanobladen van gelijke delen grafeen en wit grafeen, die kloof zou krimpen tot 0,624 elektronvolt.

Wanneer gespannen in het elastische regime, de bandafstand van het keramiek viel weg, het materiaal geleidend maken, maar wanneer uitgerekt voorbij elasticiteit - dat wil zeggen, in het plastic regime - werd het minder geleidend. Die schakelaar, zeiden de onderzoekers, maakt het een veelbelovend materiaal voor zelfgevoelige en structurele gezondheidsmonitoringtoepassingen.

De onderzoekers suggereerden andere 2D-platen met molybdeendisulfide, niobiumdiselenide of gelaagde dubbele hydroxiden kunnen vergelijkbare mogelijkheden bieden voor het bottom-upontwerp van afstembare, multifunctionele composieten. "Dit zou een fundamenteel platform bieden voor cement- en betonwapening op hun kleinst mogelijke afmeting, ' zei Shahsavari.