Цей двовимірний матеріал набагато міцніший за графен, і вчені в захваті

Розгалуження в зламі зразка h-BN. (Дж. Лу/Університет Райса)

Двовимірний матеріал зі схожими фізичними властивостями графен тепер виявилося, що графен викидає воду з точки зору міцності.

Цей матеріал називається гексагональний нітрид бору (h-BN), і він настільки стійкий до розтріскування, що вчені вражені. Це відкриття суперечить фундаментальному опису механіки руйнування, який вчені використовували для прогнозування та визначення міцності з 1920-х років.

«Те, що ми спостерігали в цьому матеріалі, чудово», сказав науковець з матеріалів Джун Лу з Університету Райса . «Ніхто не очікував побачити це в 2D-матеріалах. Ось чому це так захоплююче».



Гексагональний нітрид бору насправді надзвичайно схожий на графен. Обидва матеріали складаються з гексагональних решіток атомів. У випадку графену всі ці атоми є вуглецем; але для h-BN кожен шестикутник містить три атоми бору та три атоми азоту.

Вуглець-вуглецеві зв'язки є одними з найміцніших у природі, тому очікується, що графен буде набагато міцнішим за h-BN. Загалом це правда: ці два матеріали мають однакові показники міцності та еластичності, але h-BN трохи нижчий. Графен має міцність близько 130 гігапаскалів для міцності та 1,0 терапаскалів для еластичності; Значення h-BN складають 100 гігапаскалів і 0,8 терапаскалів відповідно.

Однак графен також має низьку стійкість до тріщин; іншими словами, він надзвичайно крихкий.

«Ми виміряли міцність графену на розрив сім років тому, і насправді він не надто стійкий до розриву», Лу пояснив . «Якщо у вас є тріщина в решітці, невелике навантаження просто зламає цей матеріал».

Вважалося, що оскільки інші властивості h-BN дуже схожі на властивості графену, його крихкість також буде порівнянною - особливо тому, що крихкість графену узгоджується з теорією руйнування Гріффіта, розроблений інженером Аланом Арнольдом Гріффітом у 1921 році . Він виявив, що тріщини поширюються, коли навантаження на матеріал перевищує силу, що утримує його; а різниця в енергії виділяється при поширенні тріщини.

Однак, коли команда дослідників вирушила перевірити це, вони виявили щось справді дивне: опір руйнуванню h-BN у 10 разів вищий, ніж у графену. Це точно ні узгоджується з теорією Гріффіта.

Щоб з’ясувати причину, команда застосувала напругу до зразків h-BN, використовуючи скануючу електронну мікроскопію та трансмісійну електронну мікроскопію, щоб спостерігати якнайдрібніше, як виникають тріщини. І після понад 1000 годин експериментів і подальшого аналізу вони це зрозуміли.

Зображення електронної мікроскопії, що показують дрібні деталі переломів h-BN. (Ян та ін., Nature, 2021)

Ці два матеріали можуть бути схожими, але вони не зовсім однакові. У графені тріщина має тенденцію до зигзагоподібного прямого проходження через симетричну гексагональну структуру, зверху вниз. h-BN має невелику асиметрію у своїй гексагональній структурі через контраст у напрузі між бором і азотом, що означає, що тріщини мають тенденцію до роздвоєння.

Саме це робить матеріал набагато більш стійким.

«Якщо тріщина розгалужена, це означає, що вона повертається», Лу сказав . «Якщо у вас є ця поворотна тріщина, в основному потрібно додаткова енергія, щоб рухати тріщину далі. Таким чином, ви ефективно посилили свій матеріал, значно ускладнивши поширення тріщини».

Це має наслідки для розробки гнучких 2D матеріалів для використання в таких додатках, як електроніка. І h-BN вже має безліч властивостей, які роблять його чудовою перспективою для цих застосувань, включаючи його термостійкість і хімічну стабільність.

Таким чином, це може надати новий спосіб розвитку таких технологій, як електронний текстиль, електронні татуювання та навіть імплантати.

«Що робить цю роботу такою захоплюючою, так це те, що вона розкриває внутрішній механізм зміцнення в нібито ідеально крихкому матеріалі», сказав механік Хуацзянь Гао з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі .

«Мабуть, навіть Гріффіт не міг передбачити такі кардинально різні поведінки руйнування двох крихких матеріалів зі схожою атомною структурою».

Дослідження опубліковано в природа .

Про Нас

Публікація Незалежних, Перевірених Фактів Звітів Про Здоров'Я, Космос, Природу, Технології Та Навколишнє Середовище.