Forklarer, hvordan 2D-materialer går i stykker på atomniveau

Vi er fortrolige med revner i store eller små tredimensionelle (3-D) objekter, men hvordan tynder man, todimensionelle (2-D) materialer revner? 2-D materialer som molybdændisulfid (MoS2), er dukket op som et vigtigt aktiv for fremtidige elektroniske og fotoelektriske enheder. Imidlertid, de mekaniske egenskaber af 2-D materialer forventes at adskille sig meget fra 3-D materialer. Forskere ved Institute for Basic Science (IBS) har offentliggjort den første observation af 2-D MoS2-krakning på atomniveau i Naturkommunikation . Denne undersøgelse forventes at bidrage til anvendelsen af ​​nye 2-D materialer.

Når en bestemt kraft påføres et materiale, der dannes en revne. Mindre indlysende er, hvordan man kan forklare og forudsige formen og alvoren af ​​en revne ud fra et fysisk synspunkt. Forskere ønsker at undersøge, hvilke brud der sandsynligvis vil udvide sig, og hvilke der ikke gør. Materialer beskrives som duktile eller sprøde:Duktile materialer, som guld, modstå store belastninger før brud; skøre materialer, som glas, kan absorbere relativt lidt energi uden forlængelse og deformation, før den pludselig går i stykker. På nano-niveau, atomer bevæger sig mere frit i duktile materialer end i sprøde materialer; så i nærvær af en trækkraft (trækspænding) kan de gå ud af position fra den ordnede krystalstruktur; i tekniske termer, de går af led. Indtil nu, denne forklaring (Griffith-modellen) er blevet anvendt på cracking-fænomener i bulk, men det mangler eksperimentelle data på atom- eller nanoskala.

I dette studie, IBS-forskere observerede, hvordan revner udbredes i 2-D MoS2, efter at en pore blev dannet enten spontant eller med en elektronstråle. "Det sværeste punkt {af eksperimenterne} var at bruge elektronstrålen til at skabe poren uden at generere andre defekter eller bryde prøven, " forklarer Thuc Hue Ly, første forfatter til denne undersøgelse. "Så vi skulle være hurtige og bruge et minimum af energi."

Atomobservationerne blev udført ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi i realtid. Overraskende nok, selvom MoS2 er et sprødt materiale, holdet så atomdislokationer tre til fem nanometer (nm) væk fra sprækkens forreste linje, eller revnespids. Denne observation kan ikke forklares med Griffith-modellen.

For at skabe forhold, der repræsenterer det naturlige miljø, prøven blev udsat for ultraviolet (UV) lys. Dette fik MoS2 til at oxidere; atomdislokationer forekom hurtigere, og det strakte område udvidede sig til fem til 10 nm fra revnespidsen.

"Undersøgelsen viser, at revnedannelse i 2-D materialer er fundamentalt forskellig fra revnedannelse i 3-D duktile og sprøde materialer. Disse resultater kan ikke forklares med den konventionelle materialefejlsteori, og vi foreslår, at der er brug for en ny teori, " forklarede professor LEE Young Hee (CINAP).