Van smartphones die buigen tot zonnepanelen die zich om huizen wikkelen, flexibele elektronica zou de consument heel blij kunnen maken. Maar eerst, iemand moet uitzoeken hoe ze te maken. Een belangrijke vraag is welke materialen sterk genoeg zijn om onder zulke zware omstandigheden hun elektronische eigenschappen te behouden?

Het antwoord zou kunnen liggen in 2D-materialen, opkomende materialen die enkele lagen atomen zijn. 2D-materialen hebben unieke elektronische eigenschappen, en ze zullen naar verwachting nuttig zijn in toekomstige elektronische apparaten, nanocomposieten, medische apparatuur, fotovoltaïsche, thermo-elektriciteit en meer. Echter, 2D-materialen zijn broos, die het potentieel heeft om het gebruik ervan te beperken.

Aan de Universiteit van Delaware, M. Zubaer Hossain bestudeert manieren om de taaiheid en sterkte van 2D-materialen te beheersen en te begrijpen hoe ze zich gedragen onder belasting, zoals uitgerekt worden, liet vallen, of gebogen. In een onlangs gepubliceerd artikel in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , Hossain, een assistent-professor werktuigbouwkunde, beschreef nieuwe inzichten over de sterkte en taaiheid van het 2-D materiaal hexagonaal boornitride, die gedeeltelijk wordt onderzocht voor gebruik omdat het een zeer goede isolator is.

"We wilden kracht en taaiheid in dit broze materiaal begrijpen en proberen het gedrag te begrijpen, sterkte en taaiheid langs verschillende richtingen, " zei hij. "En wat we in dit werk vinden, is dat ze erg afhankelijk zijn van de laadrichting."

Stel je voor dat je een stuk papier met de afbeelding naar beneden voor je houdt. Als je de rechter- en linkerkant recht naar buiten trekt, het papier buigt niet, zei Hossain. Echter, als je die randen naar beneden trekt, het papier zal buigen. "Ditzelfde stuk papier heeft verschillende mechanische eigenschappen, afhankelijk van de richting waarin je het plaatst, en hetzelfde idee kan worden toegepast op 2D-materialen, " zei hij. Wanneer eigenschappen afhangen van de richting van de belasting, het materiaal is anisotroop.

Hossain probeerde te bepalen of hexagonaal boornitride anisotroop is met betrekking tot sterkte en taaiheid, en ontdekte dat het zo is. Hij wilde ook begrijpen hoe anisotropie in dit materiaal zijn elektronische eigenschappen beïnvloedt. Als de elektronische eigenschappen veranderen, het resultaat kan een probleem vormen, of in sommige gevallen, een kans - een gloednieuwe functionaliteit die onderzoekers kunnen gebruiken. Hoe dan ook, de wetenschappers moeten begrijpen wat er gebeurt om het gebruik van het materiaal te maximaliseren.

Hossain onderzocht ook het materiaal tot aan het maximale spanningspunt om te bepalen of de laadrichting van invloed is op het falen.

"Dit werk laat zien dat de sterkte of de belasting waarbij een materiaal begint te bezwijken sterk afhangt van de laadrichting, " zei hij. Ze bepaalden ook waar het materiaal zou beginnen te barsten en hoe het pad van de scheur kon worden bepaald. Het pad wordt voorspeld door de belastingsrichting, net als andere eigenschappen.

Hossain onderzocht het materiaal op atomaire schaal - per slot van rekening elk materiaal is slechts een verzameling atomen die verbonden zijn door elektronische interacties.

"Er is een atomistische basis achter deze differentiële reactie, " zei hij. "De rangschikking van atomen is verschillend in verschillende richtingen."

De bindingen tussen atomen veranderen en overlappen elkaar, en elektronen herverdelen. Deze herverdeling van elektronen is afhankelijk van de laadrichting.

De atomaire activiteit helpt ook om te verklaren wat er gebeurt als het materiaal barst. Wanneer de scheur begint met het verbreken van een binding op atomaire schaal, de gebeurtenis is mogelijk niet detecteerbaar op basis van macroscopische metingen, vanwege de tijd die betrokken is bij de voortplanting van het stresssignaal. Een verbroken binding kan zichzelf genezen zolang de stress die het proces van het breken van de binding veroorzaakt, stopt met het verhogen van de intensiteit ervan.

"Defecten kunnen zichzelf genezen als de belasting precies goed is, maar als je voorbij dat kritieke punt gaat, het kan niet meer worden hersteld, " hij zei.

Hossains expertise in werktuigbouwkunde stelt hem in staat om dit onderzoek op een unieke manier te benaderen.

"Gewoonlijk worden materiële eigenschappen en mechanismen op de kwantumschaal bestudeerd door natuurkundigen of materiaalwetenschappers, meestal onder evenwichts- of onvervormde omstandigheden die ver verwijderd zijn van de mechanische toestand waarin de breukprocessen beginnen te kiemen of zich voort te planten, " zei hij. "Ons onderzoek is interdisciplinair. We kijken naar kracht en taaiheid, die traditionele onderwerpen van werktuigbouwkunde zijn, maar we proberen de sterkte en taaiheid te begrijpen vanuit een kwantummechanisch perspectief, wat meestal niet het geval is voor werktuigbouwkundigen. We proberen op fysica gebaseerde analyse en hulpmiddelen te bouwen en toe te passen om mechanismen op nanoschaal te onthullen en hun rol te identificeren in het mechanische gedrag dat we op grotere lengteschalen zien."

Dit zijn steeds belangrijkere vaardigheden naarmate apparaten steeds sneller en geavanceerder worden en consumenten meer veelzijdige producten eisen.

"Vandaag de dag, we moeten in staat zijn om gedrag op elektronisch niveau te ontwikkelen, " hij zei.