Ingeniører afslører styrke, sejhed af sekskantet bornitrid

Fra smartphones, der bøjer sig til solpaneler, der smyger sig om huse, fleksibel elektronik kunne gøre forbrugerne meget glade. Men først, nogen skal finde ud af, hvordan man laver dem. Et vigtigt spørgsmål er, hvilke materialer der er hårde nok til at bevare deres elektroniske egenskaber under så barske forhold?

Svaret kunne ligge i 2-D materialer, nye materialer, der er enkeltlag af atomer. 2-D materialer har unikke elektroniske egenskaber, og de forventes at være nyttige i fremtidige elektroniske enheder, nanokompositter, hospitalsudstyr, solcelleanlæg, termoelektrik og meget mere. Imidlertid, 2-D materialer er skøre, som har potentiale til at begrænse deres brug.

På University of Delaware, M. Zubaer Hossain studerer måder at kontrollere sejheden og styrken af ​​2-D materialer og forstå, hvordan de opfører sig under belastningsforhold, såsom at blive strakt, faldt, eller bøjet. I et papir for nylig offentliggjort i Journal of Applied Physics , Hossain, en adjunkt i maskinteknik, beskrev ny indsigt om styrken og sejheden af ​​2-D-materialet hexagonal bornitrid, som er ved at blive undersøgt til brug blandt andet fordi det er en meget god isolator.

"Vi ønskede at forstå styrke og sejhed i dette sprøde materiale og prøve at forstå adfærden, styrke og sejhed i forskellige retninger, " sagde han. "Og hvad vi finder i dette arbejde er, at de afhænger meget af læsseretningen."

Forestil dig, at du holder et stykke papir med forsiden nedad foran dig. Hvis du trækker højre og venstre side lige ud, papiret bøjes ikke, sagde Hossain. Imidlertid, hvis du trækker disse kanter nedad, papiret vil bøje. "Det samme stykke papir har forskellige mekaniske egenskaber, afhængigt af hvilken retning du lægger det i, og den samme idé kan anvendes på 2-D materialer, " sagde han. Når egenskaber afhænger af belastningsretningen, materialet er anisotropt.

Hossain søgte at afgøre, om hexagonalt bornitrid er anisotropisk med hensyn til styrke og sejhed, og fandt ud af, at det er det. Han ønskede også at forstå, hvordan anisotropi i dette materiale påvirker dets elektroniske egenskaber. Hvis de elektroniske egenskaber ændres, resultatet kan udgøre et problem, eller i nogle tilfælde, en mulighed - en helt ny funktionalitet, forskere kan bruge. På den ene eller anden måde, forskerne er nødt til at forstå, hvad der sker, for at maksimere brugen af ​​materialet.

Hossain undersøgte også materialet op til det maksimale spændingspunkt for at bestemme, om belastningsretningen påvirker svigt.

"Dette arbejde viser, at styrken eller belastningen, hvorved et materiale begynder at svigte, afhænger stærkt af belastningsretningen, " sagde han. De bestemte også, hvor materialet ville begynde at revne, og hvordan man bestemmer sprækkens vej. Vejen forudsiges af belastningsretningen ligesom andre egenskaber.

Hossain undersøgte materialet på atomær skala - trods alt, hvert materiale er blot en samling af atomer bundet gennem elektroniske interaktioner.

"Der er et atomistisk grundlag bag denne differentielle reaktion, " sagde han. "Arrangementet af atomer er forskelligt i forskellige retninger."

Bindingerne mellem atomer ændrer sig og overlapper hinanden, og elektroner omfordeles. Denne omfordeling af elektroner afhænger af belastningsretningen.

Atomaktiviteten er også med til at forklare, hvad der sker, når materialet revner. Når revnen først starter ved at bryde en binding på atomskalaen, hændelsen kan muligvis ikke detekteres fra makroskopiske målinger, på grund af tid involveret i udbredelsen af ​​stresssignalet. En brudt binding kan selvhelende, så længe den stress, der fører til bindingsbrudprocessen, holder op med at øge dens intensitet.

"Defekter kan selvhelbredende, hvis belastningen er den rigtige, men hvis du går forbi det kritiske punkt, det kan muligvis ikke gendannes længere, " han sagde.

Hossains ekspertise inden for maskinteknik giver ham mulighed for at tage en unik tilgang til denne forskning.

"Normalt studeres materialeegenskaber og mekanismer på kvanteskalaen af ​​fysikere eller materialeforskere, for det meste under ligevægt eller udeformerede forhold, der er langt fra den mekaniske tilstand, hvor brudprocesserne begynder at danne kerne eller udbrede sig, " sagde han. "Vores forskning er tværfaglig. Vi ser på styrke og sejhed, som er traditionelle fag inden for maskinteknik, men vi forsøger at forstå styrken og sejheden fra et kvantemekanisk perspektiv, hvilket normalt ikke er tilfældet for maskiningeniører. Vi forsøger at bygge og anvende fysikbaserede analyser og værktøjer til at afsløre nanoskalamekanismer og identificere deres rolle på den mekaniske adfærd, som vi ser på længere længdeskalaer."

Disse er stadig vigtigere færdigheder, efterhånden som enheder bliver stadig hurtigere og sofistikerede, og forbrugerne efterspørger mere alsidige produkter.

"I dag, vi skal være i stand til at konstruere adfærd på elektronisk plan, " han sagde.