Двумерный материал с физическими свойствами, подобными графену , теперь оказался способным выдувать графен из воды с точки зрения прочности.
Этот материал называется гексагональным нитридом бора (h-BN), и он настолько устойчив к растрескиванию, что ученые просто ошеломлены. Открытие противоречит фундаментальному описанию механики разрушения, которое ученые использовали для прогнозирования и определения прочности с 1920-х годов.
«То, что мы наблюдали в этом материале, примечательно, - сказал материаловед Джун Лу из Университета Райса . «Никто не ожидал увидеть это в 2D-материалах. Вот почему это так захватывающе».
Гексагональный нитрид бора на самом деле очень похож на графен. Оба материала состоят из гексагональных решеток атомов. В случае графена все эти атомы являются углеродом; но для h-BN каждый шестиугольник содержит три атома бора и три атома азота.
Связи углерод-углерод являются одними из самых прочных по своей природе, поэтому ожидается, что графен будет намного прочнее, чем h-BN. В общем, это правда: два материала имеют схожие значения прочности и эластичности, но h-BN немного ниже. Графен имеет прочность около 130 гигапаскалей для прочности и 1,0 терапаскаль для эластичности; Значения h-BN составляют 100 гигапаскалей и 0,8 терапаскалей соответственно.
Однако графен также имеет низкую стойкость к трещинам; другими словами, он очень хрупкий.
«Мы измерили трещиностойкость графена семь лет назад, и на самом деле он не очень устойчив к разрушению», - пояснил Лу . «Если у вас есть трещина в решетке, небольшой груз просто сломает этот материал».
Считалось, что, поскольку другие свойства h-BN очень похожи на свойства графена, его хрупкость также будет сопоставимой - особенно потому, что хрупкость графена согласовывалась с теорией разрушения Гриффита, изложенной инженером Аланом Арнольдом Гриффитом в 1921 году . Он обнаружил, что трещины будут распространяться, когда напряжение, приложенное к материалу, превышает силу, удерживающую его вместе; и разница в энергии высвобождается при распространении трещины.
Однако когда группа исследователей пошла проверить это, они обнаружили кое-что действительно странное: сопротивление разрушению h-BN в 10 раз выше, чем у графена. Это определенно не согласуется с теорией Гриффита.
Чтобы выяснить, почему, команда применила напряжение к образцам h-BN, используя сканирующую электронную микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию, чтобы с мельчайшими подробностями наблюдать, как возникают трещины. И после более чем 1000 часов экспериментов и последующего анализа они поняли это.
Эти два материала могут быть похожими, но не совсем одинаковыми. В графене трещина имеет тенденцию зигзагообразно двигаться сквозь симметричную гексагональную структуру сверху вниз. h-BN имеет небольшую асимметрию в своей гексагональной структуре из-за разницы напряжений между бором и азотом, что означает, что трещины имеют тенденцию к бифуркации.
Это то, что делает материал намного более эластичным.
«Если трещина разветвленная, значит, она поворачивается», - сказал Лу . «Если у вас есть эта поворотная трещина, для ее дальнейшего продвижения требуется дополнительная энергия. Таким образом, вы эффективно укрепили свой материал, значительно затруднив распространение трещины».
Это имеет значение для разработки гибких 2D-материалов для использования в таких приложениях, как электроника. И h-BN уже обладает множеством свойств, которые делают его отличным перспективным для этих применений, включая его термостойкость и химическую стабильность.
Таким образом, это может предоставить новый способ разработки таких технологий, как электронный текстиль, наклеивание электронных татуировок и даже имплантаты.
«Что делает эту работу такой захватывающей, так это то, что она раскрывает внутренний механизм упрочнения якобы совершенно хрупкого материала», - сказал механик Хуацзянь Гао из Технологического университета Наньян в Сингапуре .
«По-видимому, даже Гриффит не мог предвидеть столь радикально различающееся поведение разрушения в двух хрупких материалах с похожей атомной структурой».
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен