2D-materialer tilbyder unikke strækegenskaber

Som de fleste materialer, et elastikbånd bliver tyndere, når det strækkes. Men nogle materialer opfører sig på den modsatte måde - de bliver tykkere, når de strækkes og tyndere, når de komprimeres. Disse kontraintuitive stoffer, kendt som auxetiske materialer, har en tendens til at have en høj modstand mod forskydning eller brud og bruges i applikationer som medicinske implantater og sensorer. Men typisk, denne auxetiske effekt ses kun, når materialet forvrænges i en bestemt retning.

Nu, Minglei Sun og Udo Schwingenschlögl har forudsagt, at en gruppe kulstofbaserede materialer, formet til atom-tynde plader, skulle vise denne auxetiske effekt i alle retninger. Dette fænomen er aldrig blevet observeret før i noget 2D anisotropt materiale, en voksende familie af flade materialer, der indeholder flere potentielt auxetiske materialer.

KAUST-forskerne beregnede flere nøglekarakteristika for tre 2D-materialer kaldet kulstofsulfid, carbon selenid og carbon tellurid, som forener kulstof med elementer, der tilsammen er kendt som kalkogener. Beregningerne er baseret på tæthedsfunktionel teori, en almindeligt anvendt tilgang baseret på kvantemekanik, og de beskriver materialernes egenskaber såsom deres strukturelle stabilitet, mekanisk opførsel og elektroniske egenskaber.

Alle auxetiske materialer har et negativt Poissons forhold, et tal, der beskriver, hvordan et materiale deformeres, når det strækkes eller komprimeres. Men forskerne fandt ud af, at de tre materialer er unikke auxetiske, fordi de har et omnidirektionelt negativt Poisson-forhold. "Vi var overraskede over, at vi fandt en række 2D anisotrope materialer med negativt Poissons forhold i alle retninger, " siger Sun.

Sun og Schwingenschlögls beregninger forudsiger, at alle tre materialer skal være stabile ved stuetemperatur, tyder på, at det kan være muligt at syntetisere og isolere dem. De forklarer også materialernes omnidirektionelle auxetiske effekt i form af deres krystalstrukturer og kemiske bindinger. Kulstoftellurid viser den stærkeste auxetiske effekt, som er større i alle retninger end de højeste værdier set i de fleste andre 2D auxetiske materialer. Det har også den højeste brudbelastning af de tre materialer, som KAUST-forskerne har undersøgt.

Ifølge holdet, materialerne skal være halvledere, der er i stand til at absorbere nær-infrarødt eller synligt lys. De tre kulstofchalcogenider "viser sig at være direkte eller kvasi-direkte båndgab-halvledere med imponerende absorption af solstråling, " siger Sun. Dette indebærer, at materialerne kan være nyttige i fotovoltaiske enheder eller som lysdrevne katalysatorer. "Vores næste skridt er at forudsige flere 2D auxetiske materialer med negativt Poissons forhold i alle retninger, " siger Schwingenschlögl.