Het is officieel:zeshoekig boornitride (h-BN) is de ijzeren man van 2D-materialen, zo bestand tegen scheuren dat het een eeuwenoude theoretische beschrijving tart die ingenieurs nog steeds gebruiken om taaiheid te meten.

"Wat we in dit materiaal hebben waargenomen, is opmerkelijk, " zei Jun Lou van Rice University, co-corresponderende auteur van a Natuur deze week gepubliceerde krant. "Niemand had verwacht dit in 2D-materialen te zien. Daarom is het zo spannend."

Lou legt het belang van de ontdekking uit door de breuktaaiheid van h-BN te vergelijken met die van zijn bekendere neef grafeen. structureel, grafeen en h-BN zijn bijna identiek. In elke, atomen zijn gerangschikt in een plat rooster van onderling verbonden zeshoeken. in grafeen, alle atomen zijn koolstof, en in h-BN bevat elke zeshoek drie stikstof- en drie booratomen.

De koolstof-koolstofbindingen in grafeen zijn de sterkste van de natuur, wat van grafeen de moeilijkste dingen zou moeten maken die er zijn. Maar er is een addertje onder het gras. Als zelfs maar een paar atomen niet op hun plaats zijn, de prestaties van grafeen kunnen van buitengewoon tot middelmatig gaan. En in de echte wereld, geen enkel materiaal is vrij van gebreken, Lou zei, dat is de reden waarom breuktaaiheid - of weerstand tegen scheurgroei - zo belangrijk is in de techniek:het beschrijft precies hoeveel straf een echt materiaal kan weerstaan ​​​​voordat het faalt.

"We hebben zeven jaar geleden de breuktaaiheid van grafeen gemeten, en het is eigenlijk niet erg bestand tegen breuken, " zei Lou. "Als je een scheur in het rooster hebt, een kleine lading zal dat materiaal gewoon breken."

In een woord, grafeen is broos. Britse ingenieur A.A. Griffith publiceerde in 1921 een baanbrekende theoretische studie van breukmechanica die het falen van brosse materialen beschreef. Het werk van Griffith beschreef de relatie tussen de grootte van een scheur in een materiaal en de hoeveelheid kracht die nodig is om de scheur te laten groeien.

Lou's onderzoek uit 2014 toonde aan dat de breuktaaiheid van grafeen kan worden verklaard door het beproefde criterium van Griffith. Gezien de structurele overeenkomsten van h-BN met grafeen, er werd ook verwacht dat het bros zou zijn.

Dat is niet het geval. De breukweerstand van zeshoekig boornitride is ongeveer 10 keer hoger dan die van grafeen, en het gedrag van h-BN bij breuktests was zo onverwacht dat het de beschrijving met de formule van Griffith tartte. Precies laten zien hoe het zich gedroeg en waarom er meer dan 1 nodig was 000 uur aan experimenten in Lou's lab in Rice en even nauwgezet theoretisch werk onder leiding van co-corresponderende auteur Huajian Gao aan de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore.

"Wat dit werk zo opwindend maakt, is dat het een intrinsiek hardingsmechanisme onthult in een zogenaamd perfect bros materiaal, "zei Gao. "Blijkbaar, zelfs Griffith kon zulke drastisch verschillende breukgedragingen niet voorzien in twee brosse materialen met vergelijkbare atomaire structuren."

Lou, Gao en collega's herleidden het enorm verschillende materiële gedrag tot lichte asymmetrieën die het gevolg zijn van h-BN dat twee elementen bevat in plaats van één.

"Boor en stikstof zijn niet hetzelfde, dus ook al heb je deze zeshoek, het is niet precies zoals de koolstofzeshoek (in grafeen) vanwege deze asymmetrische opstelling, ' zei Lou.

Hij zei dat de details van de theoretische beschrijving complex zijn, maar het resultaat is dat scheuren in h-BN de neiging hebben om te vertakken en te draaien. in grafeen, de punt van de scheur gaat dwars door het materiaal, het openen van banden als een rits. Maar de roosterasymmetrie in h-BN creëert een "vertakking" waar takken kunnen worden gevormd.

"Als de scheur vertakt is, dat betekent dat het draait, " zei Lou. "Als je deze draaiende spleet hebt, het kost in feite extra energie om de scheur verder te drijven. Dus je hebt je materiaal effectief gehard door het veel moeilijker te maken voor de scheur om zich te verspreiden."

Gao zei, "De intrinsieke roosterasymmetrie geeft h-BN een permanente neiging voor een bewegende scheur om zich van zijn pad te vertakken, als een skiër die haar of zijn vermogen heeft verloren om een ​​evenwichtige houding aan te houden om recht vooruit te gaan."

Zeshoekig boornitride is vanwege zijn hittebestendigheid al een uiterst belangrijk materiaal voor 2D-elektronica en andere toepassingen, chemische stabiliteit en diëlektrische eigenschappen, waardoor het kan dienen als zowel een ondersteunende basis als een isolerende laag tussen elektronische componenten. Lou zei dat de verrassende taaiheid van h-BN het ook de ideale optie kan maken voor het toevoegen van scheurweerstand aan flexibele elektronica gemaakt van 2D-materialen, die vaak broos zijn.

"Het nichegebied voor 2D-materiaalgebaseerde elektronica is het flexibele apparaat, ' zei Lou.

Naast toepassingen zoals elektronisch textiel, 2D-elektronica is dun genoeg voor meer exotische toepassingen zoals elektronische tatoeages en implantaten die rechtstreeks op de hersenen kunnen worden bevestigd, hij zei.

"Voor dit type configuratie je moet ervoor zorgen dat het materiaal zelf mechanisch robuust is wanneer je het buigt, Lou zei. Dat h-BN zo breukvast is, is geweldig nieuws voor de elektronische 2D-gemeenschap. omdat het dit materiaal kan gebruiken als een zeer effectieve beschermlaag."

Gao zei dat de bevindingen ook kunnen wijzen op een nieuwe route om taaie mechanische metamaterialen te fabriceren door middel van gemanipuleerde structurele asymmetrie.

"Bij extreme belasting, breuk kan onvermijdelijk zijn, maar de catastrofale effecten ervan kunnen worden verzacht door structureel ontwerp, ' zei Gao.

Lou is een professor en associate afdelingsvoorzitter in materiaalkunde en nano-engineering en een professor in de chemie bij Rice. Gao is een vooraanstaande universiteitsprofessor in de scholen van zowel techniek als wetenschap aan de NTU.

Rice-gelieerde co-auteurs zijn Yingchao Yang, nu een assistent-professor aan de Universiteit van Maine, Chao Wang, nu aan het Harbin Institute of Technology in China, en Boyu Zhang. Andere co-auteurs zijn onder meer Bo Ni van Brown University; Xiaoyan Li van de Tsinghua-universiteit in China; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu en Xiaoming Xie van de Chinese Academie van Wetenschappen; en Zhigong Song van het Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek in Singapore en voorheen van Tsinghua en Brown.