Supercomputere afslører mærkelige, stress-inducerede transformationer i verdens tyndeste materialer

(Phys.org) — Interesseret i en ultrahurtig, ubrydelig, og fleksibel smartphone, der genoplades på få sekunder? Enkeltlagsmaterialer kan gøre det muligt. Disse atomtynde ark – inklusive det berømte supermateriale grafen – har exceptionelle og uudnyttede mekaniske og elektroniske egenskaber. Men for fuldt ud at udnytte disse atomisk skræddersyede vidundermaterialer, videnskabsmænd skal frigøre hemmelighederne om, hvordan og hvorfor de bøjer og knækker under stress.

Heldigvis, forskere har nu udpeget brudmekanismen for flere monolagsmaterialer hundredvis af gange stærkere end stål med eksotiske egenskaber, der kan revolutionere alt fra rustning til elektronik. Et team fra Columbia University brugte supercomputere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory til at simulere og undersøge kvantemekaniske processer, som ville være ekstremt vanskelige at udforske eksperimentelt.

De opdagede, at belastning af materialerne inducerede en ny faseovergang - en omstrukturering i deres næsten perfekte krystallinske strukturer, der fører til ustabilitet og svigt. Overraskende nok, fænomenet varede på tværs af flere forskellige materialer med forskellige elektroniske egenskaber, tyder på, at monolag kan have iboende ustabiliteter, der enten skal overvindes eller udnyttes. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

"Vores beregninger afslørede disse enkeltlagsmaterialers grundlæggende skift i struktur og karakter, når de blev stressede, " sagde studiemedforfatter og Columbia University Ph.D.-kandidat Eric Isaacs. "At se de smukke mønstre udstillet af disse materialer ved deres bristepunkter for første gang var enormt spændende - og vigtigt for fremtidige applikationer."

Holdet undersøgte nærmest denne eksotiske faseovergang i grafen, bornitrid, molybdæn disulfid, og grafan - alle lovende monolagsmaterialer.

Simuleret splintring

Enkeltlagsmaterialer oplever belastning på atomare skalaer, kræver anden efterforskningsekspertise end den gennemsnitlige nedrivningsmandskab. Isaacs og hans samarbejdspartnere henvendte sig til en matematisk ramme kaldet density functional theory (DFT) for at beskrive de kvantemekaniske processer, der udfolder sig i materialerne.

"DFT lader os studere materialer direkte fra fysikkens grundlæggende love, hvis resultater kan sammenlignes direkte med eksperimentelle data, " sagde Chris Marianetti, en professor i materialevidenskab ved Columbia University og medforfatter til undersøgelsen. "Vi leverer de grundlæggende konstanter og materialets kerner, og ved hjælp af DFT kan vi nøje tilnærme materialets reelle egenskaber under forskellige forhold."

I dette studie, DFT-beregninger afslørede materialernes atomare strukturer, stress værdier, vibrationsegenskaber, og om de fungerede som metaller, halvledere, eller isolatorer under belastning. Skift mellem eller opretholdelse af disse ledende egenskaber er særligt vigtigt for fremtidige anvendelser inden for mikroelektronik.

"At teste alle de forskellige atomare konfigurationer for hvert materiale under belastning koger ned til en enorm mængde beregning, " sagde Isaacs. "Uden de meget parallelle supercomputerressourcer og ekspertise hos Brookhaven, det ville have været næsten umuligt at udpege denne overgang i anstrengte monolag."

Twisted Atomic Half-Pipe

Alt går i stykker under nok stress, selvfølgelig, men ikke alt forvandles meningsfuldt hen ad vejen. En bøjet egetræsgren, for eksempel, går ikke ind i en mærkelig overgangsfase, når den kryber mod sit bristepunkt – den snapper simpelthen. monolag materialer, det viser sig, spille efter meget forskellige regler.

Inden for de honeycomb-lignende gitter af monolag som grafen, bornitrid, og grafan, atomerne vibrerer hurtigt på plads. Forskellige vibrationstilstande, som dikterer mange af materialets mekaniske egenskaber, kaldes "tilstande". Da de perfekte sekskantede strukturer af sådanne monolag belastes, de går ind i en subtil "blød tilstand" - de vibrerende atomer glider fri af deres oprindelige konfigurationer og forvrænges mod nye strukturer, efterhånden som materialerne går i stykker.

"Forestil dig en skateboarder i en half-pipe, " sagde Isaacs. "Normalt, skateren glider frem og tilbage, men forbliver centreret over bunden. Men hvis vi vrider og deformerer den halvpipe nok, skateboarderen ruller ud og vender aldrig tilbage - det er ligesom denne bløde tilstand, hvor de vibrerende atomer bevæger sig væk fra deres positioner i gitteret."

Blødt brydende

Forskerne fandt ud af, at denne bløde vibrationstilstand forårsagede dvælende, ustabile forvrængninger i de fleste af de kendte monolagsmaterialer. I tilfælde af grafen, bornitrid, og grafan, rygraden i det perfekte krystallinske gitter forvrænget mod isolerede sekskantede ringe. Den bløde tilstandsforvrængning endte med at bryde grafen, bornitrid, og molybdændisulfid.

Da monolagene blev anstrengt, de energimæssige omkostninger ved at ændre bindingslængderne blev væsentligt svagere - med andre ord, under nok stress, den nye bløde tilstand tilskynder atomerne til at omarrangere sig selv til ustabile konfigurationer. Dette dikterer igen, hvordan man kan kontrollere den belastning og tune monolags ydeevne.

"Vores arbejde viser, at soft mode-fejlmekanismen ikke er unik for grafen og antyder, at det kan være en iboende egenskab ved monolagsmaterialer, " sagde Isaacs.

Enlags renoveringer

Bevæbnet med denne viden, forskere kan nu være i stand til at finde ud af, hvordan man forsinker begyndelsen af ​​de nyligt karakteriserede ustabiliteter og forbedrer styrken af ​​eksisterende monolag. Udover det, videnskabsmænd kan endda være i stand til at konstruere nye ultra-stærke materialer, der forudser og overvinder svagheden i blød tilstand.

"Ud over spændingen ved opdagelsen, dette arbejde er umiddelbart nyttigt for et stort samfund af forskere, der er begejstrede for at lære om og udnytte grafen og dets fætre, " sagde Isaacs. "F.eks. vi har arbejdet med Columbia-eksperimentalister, der bruger en teknik kaldet 'nanoindentation' til eksperimentelt at måle noget af det, vi simulerede."

Nøgle takeaways

• Grafen og andre enkeltlagsmaterialer har eksotiske elektroniske og mekaniske egenskaber - atomisk tynde, ultra let, og stærkere end stål. Men hvordan forvandler disse lovende materialer og fejler under pres?
• Hvad lærte forskerne? De udpegede brudpunkterne og fejlmekanismerne for disse atomtynde supermaterialer. Når man er stresset, såkaldte "soft mode"-ustabiliteter dukker op, der forårsager karakteristiske atomare rekonfigurationer - overraskende nok, denne adfærd fortsatte på tværs af forskellige monolagsmaterialer.
• Hvordan gjorde de det? Brug af kvantemekaniske love og supercomputere, de simulerede materialernes atomare struktur og vibrationstilstande under forskellige grader af tvang. Forskere anstrengte og stressede disse enkeltlagsmaterialer til det punkt, hvor de gik i stykker - alt sammen praktisk talt.
• Hvad er virkningen? Alt fra mikroelektronik til kraftfuld, letvægts rustning kan avanceres ved at forstå, hvordan monolagsmaterialer fungerer under stress.