Hexagonale bornitrider bemærkelsesværdig sejhed afsløret

Det er officielt:Hexagonal bornitrid (h-BN) er jernmanden i 2D-materialer, så modstandsdygtig over for revner, at den trodser en århundrede gammel teoretisk beskrivelse, som ingeniører stadig bruger til at måle sejhed.

"Det, vi observerede i dette materiale, er bemærkelsesværdigt, " sagde Rice Universitys Jun Lou, medkorresponderende forfatter til en Natur papir udgivet i denne uge. "Ingen forventede at se dette i 2D-materialer. Det er derfor, det er så spændende."

Lou forklarer betydningen af ​​opdagelsen ved at sammenligne brudsejheden af ​​h-BN med dens bedre kendte fætter grafen. Strukturelt set, grafen og h-BN er næsten identiske. I hver, atomer er arrangeret i et fladt gitter af indbyrdes forbundne sekskanter. I grafen, alle atomer er kulstof, og i h-BN indeholder hver sekskant tre nitrogen- og tre boratomer.

Kulstof-kulstof-bindingerne i grafen er naturens stærkeste, hvilket skulle gøre grafen til de hårdeste ting, der findes. Men der er en hage. Hvis selv nogle få atomer er malplacerede, graphene's ydeevne kan gå fra ekstraordinær til middelmådig. Og i den virkelige verden, intet materiale er fejlfrit, Lou sagde, Derfor er brudsejhed – eller modstand mod revnevækst – så vigtig i ingeniørkunst:Den beskriver præcis, hvor meget straf et materiale fra den virkelige verden kan modstå, før det fejler.

"Vi målte brudsejheden af ​​grafen for syv år siden, og det er faktisk ikke særlig modstandsdygtigt over for brud, " sagde Lou. "Hvis du har en revne i gitteret, en lille belastning vil bare bryde det materiale."

I et ord, grafen er skørt. Den britiske ingeniør A.A. Griffith offentliggjorde en banebrydende teoretisk undersøgelse af brudmekanik i 1921, der beskrev svigt af sprøde materialer. Griffiths arbejde beskrev forholdet mellem størrelsen af ​​en revne i et materiale og mængden af ​​kraft, der kræves for at få revnen til at vokse.

Lous undersøgelse fra 2014 viste, at grafens brudsejhed kunne forklares med Griffiths tidstestede kriterium. I betragtning af h-BN's strukturelle ligheder med grafen, det forventedes også at være skørt.

Det er ikke tilfældet. Sekskantet bornitrids brudmodstand er omkring 10 gange højere end grafens, og h-BN's adfærd i brudtest var så uventet, at den trodsede beskrivelsen med Griffiths formel. Viser præcist, hvordan det opførte sig, og hvorfor det tog mere end 1, 000 timers eksperimenter i Lous laboratorium i Rice og lige så omhyggeligt teoretisk arbejde ledet af den medkorresponderende forfatter Huajian Gao ved Nanyang Technological University (NTU) i Singapore.

"Det, der gør dette arbejde så spændende, er, at det afslører en iboende hærdningsmekanisme i et angiveligt perfekt skørt materiale, " sagde Gao. "Tilsyneladende, selv Griffith kunne ikke forudse så drastisk forskellig frakturadfærd i to sprøde materialer med lignende atomstrukturer."

Lou, Gao og kolleger sporede den vildt forskellige materielle adfærd til små asymmetrier, der skyldes, at h-BN indeholder to elementer i stedet for ét.

"Bor og nitrogen er ikke det samme, så selvom du har denne sekskant, det er ikke nøjagtigt som kulstofsekskanten (i grafen) på grund af dette asymmetriske arrangement, " sagde Lou.

Han sagde, at detaljerne i den teoretiske beskrivelse er komplekse, men resultatet er, at revner i h-BN har en tendens til at forgrene sig og dreje. I grafen, spidsen af ​​revnen bevæger sig lige gennem materialet, åbningsbindinger som en lynlås. Men gitterasymmetrien i h-BN skaber en "bifurkation", hvor der kan dannes grene.

"Hvis revnen er forgrenet, det betyder at den vender, " sagde Lou. "Hvis du har denne vende revne, det koster i bund og grund yderligere energi at drive sprækken videre. Så du har effektivt hærdet dit materiale ved at gøre det meget sværere for revnen at forplante sig."

Gao sagde, "Den iboende gitterasymmetri giver h-BN en permanent tendens til, at en bevægelig revne forgrener sig fra sin vej, som en skiløber, der har mistet sin evne til at opretholde en afbalanceret kropsholdning for at bevæge sig lige frem."

Hexagonal bornitrid er allerede et ekstremt vigtigt materiale til 2D elektronik og andre applikationer på grund af dets varmebestandighed, kemisk stabilitet og dielektriske egenskaber, som gør det muligt at tjene som både en understøttende base og et isolerende lag mellem elektroniske komponenter. Lou sagde, at h-BNs overraskende sejhed også kunne gøre det til den ideelle mulighed for at tilføje rivemodstand til fleksibel elektronik lavet af 2D-materialer, som har tendens til at være skøre.

"Nicheområdet for 2D materialebaseret elektronik er den fleksible enhed, " sagde Lou.

Ud over applikationer som elektroniske tekstiler, 2D-elektronik er tyndt nok til mere eksotiske applikationer som elektroniske tatoveringer og implantater, der kan fastgøres direkte til hjernen, han sagde.

"For denne type konfiguration, du skal sikre dig, at selve materialet er mekanisk robust, når du bøjer det rundt, " sagde Lou. "At h-BN er så brudbestandig er gode nyheder for det elektroniske 2D-fællesskab, fordi det kan bruge dette materiale som et meget effektivt beskyttende lag."

Gao sagde, at resultaterne også kan pege på en ny vej til at fremstille hårde mekaniske metamaterialer gennem konstrueret strukturel asymmetri.

"Under ekstrem belastning, fraktur kan være uundgåelig, men dens katastrofale virkninger kan afbødes gennem strukturelt design, " sagde Gao.

Lou er professor og associeret afdelingsformand i materialevidenskab og nanoteknik og professor i kemi ved Rice. Gao er en fremtrædende universitetsprofessor på skoler for både ingeniør og naturvidenskab på NTU.

Ris-tilknyttede medforfattere er Yingchao Yang, nu assisterende professor ved University of Maine, Chao Wang, nu på Harbin Institute of Technology i Kina, og Boyu Zhang. Andre medforfattere omfatter Bo Ni fra Brown University; Xiaoyan Li fra Tsinghua University i Kina; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu og Xiaoming Xie fra det kinesiske videnskabsakademi; og Zhigong Song fra Agency for Science, Teknologi og forskning i Singapore og tidligere af Tsinghua og Brown.