Нов 2D материал се противопоставя на напукване и разрушаване, както и на 100-годишната теория на механиката на разрушаване.
Двуизмерният материал с физически свойства, подобни на графена, сега се оказва, че превъзхожда графена по здравина.
Материалът се нарича шестоъгълен борен нитрид (h-BN) и е толкова устойчив на напукване, че учените са изненадани. Откритието противоречи на фундаменталното описание на механиката на разрушаването на твърди тела, което учените използват за прогнозиране и определяне на издръжливостта от 20-те години на миналия век.
„Това, което наблюдавахме в този материал, е забележително“, коментира ученият, специалист по материалознание Джун Лу (Jun Lou) от Университета Райс. "Никой не очакваше да види това в 2D материали. Ето защо е толкова вълнуващо".
Шестоъгълният борен нитрид всъщност е изключително подобен на графена. Двата материала се състоят от шестоъгълни решетки на атоми. В случая с графена, всички атоми са въглерод, но в h-BN, всеки шестоъгълник съдържа три борни атома и три азотни атома.
Въглерод-въглеродните връзки са сред най-силните в природата, така че се очаква графенът да бъде много по-здрав от h-BN. Като цяло това е вярно - двата материала имат сходни стойности на якост и еластичност, но за h-BN са малко по-ниски. Графенът има якост от около 130 гигапаскала за якост и 1,0 терапаскала за еластичност.
Но има уловка. Ако дори няколко атома не са на мястото си, якостта на графена може да премине от изключителна към посредствена. И в реалния свят нито един материал не е без дефекти, коентира Лу, поради което якостта на счупване - или устойчивостта на нарастване на пукнатините - е толкова важна в инженерството: Тя описва точно колко натиск може да издържи материалът в реалния свят, преди да се разруши.
„Измерихме якостта на графена на разрушаване преди седем години и всъщност не е много устойчив на разрушаване“, обяснява Лу. „Ако има пукнатина в решетката, малко натоварване ще разруши материала“.
Графенът има ниска устойчивост на пукнатини - с една дума, графенът е изключително крехък.
Смятало се е, че тъй като другите свойства на h-BN са много сходни с тези на графена (Стойностите за h-BN са съответно 100 гигапаскала за якост и 0,8 терапаскала за еластичност), неговата чупливост също ще бъде сравнима - особено защото крехкостта на графена е в съответствие с теорията на механиката на разрушаване на твърди тела на Грифит. Британският инженер Алън Арнолд Грифит Грифит публикува основно теоретично изследване на механиката на разрушаване през 1921 г., което описва повредата на чупливите материали. Работата на Грифит описва връзката между размера на пукнатината в материала и количеството сила, необходима за увеличаване на пукнатината. Той открива, че пукнатините ще се разпространяват, докато напрежението, приложено на материала, е по-голямо от силата, която го държи цял и разликата в енергията се освобождава при разпространението на пукнатината.
Когато екипът изследователи се заема да провери това, открива нещо наистина странно - устойчивостта на разрушаване на h-BN е 10 пъти по-висока от тази на графена. Това определено не се съгласува с теорията на Грифит.
За да разбере защо, екипът прилага напрежение върху проби от h-BN, използвайки сканираща електронна микроскопия и трансмисионна електронна микроскопия, за да наблюдава с възможно най-малки подробности как възникват пукнатините. И открива причината след над 1000 часа експерименти и последващия анализ.
Изображения с електронна микроскопия, показващи фини детайли на разрушаване на h-BN. кредит: Yang et al., Nature, 2021
Двата материала може да са сходни, но не са съвсем еднакви. В графена пукнатината има тенденция да се разпространява на зиг-заг през симетричната шестоъгълна структура през цялата структура. h-BN има лека асиметрия в своята шестоъгълна структура, поради разликата в издържливостта на напрежение между бор и азот, което означава, че пукнатините са склонни да се разклоняват.
Това прави материала много по-устойчив.
Изчислителните симулации в Технологичния университет Nanyang в Сингапур помaгат да се обясни неочакваната здравина на разрушаване на 2D шестоъгълен борен нитрид. Вътрешната здравина на материала произтича от леките асиметрии в неговата атомна структура (вляво), които създават постоянната тенденция движещите се пукнатини да следват разклонени пътища (вдясно). Кредит: H. Gao / NTU
Както в графеновите, така и в хексагоналните атоми на борен нитрид (h-BN) атомите са разположени в плоска решетка от взаимно свързващи се шестоъгълници. В графена всички атоми са въглерод. В h-BN всеки шестоъгълник съдържа три азотни и три борни атома. Кредит: J. Lou / Rice University
Разклоняването на пукнатината "изисква допълнителна енергия, за да продължи пукнатината по-нататък. Така че като се затруднява разпространението на пукнатината, ефективно материалът става по-як", обяснява Лу.
Откритието има последици за разработването на гъвкави 2D материали за приложения например в електрониката. И h-BN вече има множество свойства, които го правят отлична перспектива за тези приложения, включително неговата топлоустойчивост и химическа стабилност.
Следователно той може да осигури нов начин за разработване на технологии като електронен текстил, електронни татуировки и дори импланти.
„Тази работа е толкова вълнуваща, защото разкрива присъщ механизъм за заякчаване на уж много крехък материал“, коментира Хуаджиан Гао (Huajian Gao) от Технологичния университет Нанянг в Сингапур.
"Очевидно дори Грифит не е могъл да предвиди толкова драстично различно поведение при разрушаване при два чупливи материала с подобни атомни структури".
Справка: Yang, Y., Song, Z., Lu, G. et al. Intrinsic toughening and stable crack propagation in hexagonal boron nitride. Nature 594, 57–61 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03488-1
Източници:
Hexagonal Boron Nitride’s Incredible Toughness Unmasked – “What We Observed … Is Remarkable!”, Scitech daily
Hexagonal boron nitride's remarkable toughness unmasked2D material resists cracking and description by century-old theory of fracture mechanics, RICE UNIVERSITY
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари