Nano-infunderet keramik kunne rapportere om sit eget helbred

En keramik, der bliver mere elektrisk ledende under elastisk belastning og mindre ledende under plastisk belastning, kan føre til en ny generation af sensorer indlejret i strukturer som bygninger, broer og fly i stand til at overvåge deres eget helbred.

Den elektriske ulighed, som de to typer stammer fremkaldte, var ikke indlysende, før Rice Universitys Rouzbeh Shahsavari, en assisterende professor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik, og hans kolleger modellerede en ny todimensionel forbindelse, grafen-bor-nitrid (GBN).

Under elastisk belastning, den indre struktur af et materiale strakt som et gummibånd ændres ikke. Men det samme materiale under plastisk belastning - forårsaget i dette tilfælde ved at strække det langt nok ud over elasticiteten til at deformeres - forvrænger dets krystallinske gitter. GBN, det viser sig, viser forskellige elektriske egenskaber i hvert enkelt tilfælde, hvilket gør den til en værdig kandidat som en strukturel sensor.

Shahsavari havde allerede fastslået, at hexagonal bornitrid - også kendt som hvid grafen - kan forbedre egenskaberne af keramik. Han og hans kolleger har nu opdaget, at tilføjelse af grafen gør dem endnu stærkere og mere alsidige, sammen med deres overraskende elektriske egenskaber.

Magien ligger i evnen til todimensionelle, kulstofbaseret grafen og hvid grafen til at binde sig til hinanden på en række forskellige måder, afhængig af deres relative koncentrationer. Selvom grafen og hvid grafen naturligt undgår vand, får dem til at klumpe, de kombinerede nanoplader spredes let i en opslæmning under keramikkens fremstilling.

Den resulterende keramik, efter forfatternes teoretiske modeller, ville blive afstembare halvledere med øget elasticitet, styrke og duktilitet.

Forskningen ledet af Shahsavari og Asghar Habibnejad Korayem, en assisterende professor i konstruktionsteknik ved Iran University of Science and Technology og en forsker ved Monash University i Melbourne, Australien, optræder i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader .

Grafen er en velundersøgt form for kulstof, der er kendt for sin mangel på et båndgab - det område, en elektron skal springe for at gøre et materiale ledende. Uden båndgab, grafen er en metallisk leder. Hvid grafen, med det brede båndgab, er en isolator. Så jo større forholdet mellem grafen i 2D-forbindelsen, jo mere ledende vil materialet være.

Blandet ind i keramikken i en tilstrækkelig høj koncentration, 2-D-forbindelsen kaldet GBN ville danne et netværk så ledende som mængden af ​​kulstof i matrixen tillader. Det giver den samlede komposit et afstembart båndgab, der kan egne sig til en række forskellige elektriske applikationer.

"Sammensmeltning af 2D-materialer som grafen og bornitrid i keramik og cement muliggør nye sammensætninger og egenskaber, som vi ikke kan opnå med hverken grafen eller bornitrid alene, " sagde Shahsavari.

Holdet brugte tæthedsfunktionsteoriberegninger til at modellere variationer af 2-D-forbindelsen blandet med tobermorit, et calciumsilikathydratmateriale, der almindeligvis anvendes som cement til beton. De bestemte, at oxygen-bor-bindingerne dannet i keramikken ville gøre det til en p-type halvleder.

Tobermorite i sig selv har et stort båndgab på omkring 4,5 elektronvolt, men forskerne beregnede, at når de blev blandet med GBN nanoark af lige dele grafen og hvid grafen, det mellemrum ville krympe til 0,624 elektronvolt.

Når anstrengt i det elastiske regime, keramikkens båndgab faldt, gør materialet mere ledende, men når det strækkes ud over elasticiteten - dvs. i plastikregimet - det blev mindre ledende. Den kontakt, sagde forskerne, gør det til et lovende materiale til selvfølende og strukturelle sundhedsovervågningsapplikationer.

Forskerne foreslog andre 2-D ark med molybdændisulfid, niobiumdiselenid eller lagdelte dobbelthydroxider kan give lignende muligheder for bottom-up design af tunable, multifunktionelle kompositter. "Dette ville give en grundlæggende platform for cement- og betonarmering i deres mindst mulige dimension, " sagde Shahsavari.