(Phys.org) —Interessato a un ultra-veloce, infrangibile, e smartphone flessibile che si ricarica in pochi secondi? I materiali monostrato possono renderlo possibile. Questi fogli sottili come un atomo, incluso il famoso super materiale grafene, presentano proprietà meccaniche ed elettroniche eccezionali e non sfruttate. Ma per sfruttare appieno questi meravigliosi materiali su misura atomica, gli scienziati devono scoprire i segreti di come e perché si piegano e si rompono sotto stress.

Fortunatamente, i ricercatori hanno ora individuato il meccanismo di rottura di diversi materiali monostrato centinaia di volte più resistenti dell'acciaio con proprietà esotiche che potrebbero rivoluzionare tutto, dalle armature all'elettronica. Un team della Columbia University ha utilizzato i supercomputer del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per simulare e sondare processi di meccanica quantistica che sarebbero estremamente difficili da esplorare sperimentalmente.

Hanno scoperto che la tensione dei materiali ha indotto una nuova transizione di fase, una ristrutturazione nelle loro strutture cristalline quasi perfette che porta all'instabilità e al fallimento. Sorprendentemente, il fenomeno persisteva su diversi materiali con proprietà elettroniche disparate, suggerendo che i monostrati possono avere instabilità intrinseche da superare o sfruttare. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Revisione fisica B .

"I nostri calcoli hanno mostrato i cambiamenti fondamentali di questi materiali monostrato nella struttura e nel carattere quando sollecitati, ", ha affermato Eric Isaacs, coautore dello studio e candidato al Ph.D. della Columbia University. "Vedere per la prima volta i bellissimi modelli esibiti da questi materiali nei loro punti di rottura è stato enormemente eccitante e importante per le applicazioni future".

Il team ha virtualmente esaminato questa esotica transizione di fase nel grafene, nitruro di boro, bisolfuro di molibdeno, e grafano, tutti materiali monostrato promettenti.

Frantumazione simulata

I materiali monostrato subiscono sollecitazioni su scale atomiche, richiedendo competenze investigative diverse da quelle della media squadra di demolizione. Isaacs e i suoi collaboratori si sono rivolti a un quadro matematico chiamato teoria del funzionale della densità (DFT) per descrivere i processi quantomeccanici che si svolgono nei materiali.

"DFT ci permette di studiare i materiali direttamente dalle leggi fondamentali della fisica, i cui risultati possono essere direttamente confrontati con i dati sperimentali, " ha detto Chris Marianetti, un professore di scienza dei materiali alla Columbia University e coautore dello studio. "Forniamo le costanti fondamentali e i nuclei del materiale, e utilizzando DFT possiamo approssimare da vicino le caratteristiche reali del materiale in condizioni diverse."

In questo studio, I calcoli DFT hanno rivelato le strutture atomiche dei materiali, valori di stress, proprietà vibrazionali, e se hanno agito come metalli, semiconduttori, o isolanti sotto sforzo. Alternare o mantenere queste proprietà conduttive è particolarmente importante per le future applicazioni nella microelettronica.

"Testare tutte le diverse configurazioni atomiche per ogni materiale sotto sforzo si riduce a un'enorme quantità di calcoli, "Ha detto Isaacs. "Senza le risorse e le competenze di supercalcolo altamente parallele di Brookhaven, sarebbe stato quasi impossibile individuare questa transizione in monostrati tesi".

Half-Pipe Atomico Twistato

Tutto si rompe sotto abbastanza stress, Certo, ma non tutto si trasforma in modo significativo lungo la strada. Un ramo di quercia piegato, Per esempio, non entra in una strana fase di transizione mentre si avvicina al punto di rottura:semplicemente si spezza. Materiali monostrato, si scopre, giocare con regole molto diverse.

All'interno dei reticoli a nido d'ape di monostrati come il grafene, nitruro di boro, e grafano, gli atomi vibrano rapidamente sul posto. Diversi stati vibrazionali, che dettano molte delle proprietà meccaniche del materiale, sono chiamati "modi". Poiché le strutture esagonali perfette di tali monostrati sono tese, entrano in una sottile "modalità morbida":gli atomi vibranti si liberano dalle loro configurazioni originali e si distorcono verso nuove strutture quando i materiali si rompono.

"Immagina uno skateboarder in un half-pipe, "Ha detto Isaacs. "Normalmente, il pattinatore scivola avanti e indietro ma rimane centrato sul fondo. Ma se giriamo e deformiamo abbastanza quel mezzo tubo, lo skateboarder rotola fuori e non torna mai più, è come questa modalità morbida in cui gli atomi vibranti si allontanano dalle loro posizioni nel reticolo."

Rompere dolcemente

I ricercatori hanno scoperto che questa modalità morbida vibrazionale ha causato persistente, distorsioni instabili nella maggior parte dei materiali monostrato noti. Nel caso del grafene, nitruro di boro, e grafano, la spina dorsale del reticolo cristallino perfetto si distorceva verso anelli esagonali isolati. La distorsione in modalità soft ha finito per rompere il grafene, nitruro di boro, e bisolfuro di molibdeno.

Man mano che i monostrati venivano tesi, il costo energetico della modifica delle lunghezze dei legami è diventato significativamente più debole, in altre parole, sotto abbastanza stress, la modalità soft emergente incoraggia gli atomi a riorganizzarsi in configurazioni instabili. Questo a sua volta determina come si potrebbe controllare quella deformazione e regolare le prestazioni del monostrato.

"Il nostro lavoro dimostra che il meccanismo di guasto in modalità soft non è esclusivo del grafene e suggerisce che potrebbe essere una caratteristica intrinseca dei materiali monostrato, " ha detto Isaacs.

Ristrutturazioni monostrato

Armato di questa conoscenza, i ricercatori potrebbero ora essere in grado di capire come ritardare l'insorgenza delle instabilità appena caratterizzate e migliorare la resistenza dei monostrati esistenti. Oltre a questo, gli scienziati potrebbero persino essere in grado di progettare nuovi materiali ultra resistenti che anticipano e superano la debolezza della modalità soft.

"Oltre l'emozione della scoperta, questo lavoro è immediatamente utile a una vasta comunità di ricercatori entusiasti di conoscere e sfruttare il grafene e i suoi cugini, "Ha detto Isaacs. "Per esempio, abbiamo lavorato con gli sperimentatori della Columbia che utilizzano una tecnica chiamata "nanoindentazione" per misurare sperimentalmente parte di ciò che abbiamo simulato".

Punti chiave

• Il grafene e altri materiali monostrato presentano proprietà elettroniche e meccaniche esotiche:atomicamente sottili, ultraleggero, e più forte dell'acciaio. Ma in che modo questi materiali promettenti si trasformano e si guastano sotto sforzo?
• Cosa hanno imparato gli scienziati? Hanno individuato i punti di rottura e i meccanismi di guasto per questi super materiali sottili come un atomo. Quando è stressato, emergono le cosiddette instabilità "soft mode" che causano caratteristiche riconfigurazioni atomiche - sorprendentemente, questo comportamento persisteva su diversi materiali monostrato.
• Come hanno fatto? Usando le leggi della meccanica quantistica e i supercomputer, hanno simulato la struttura atomica e le modalità vibrazionali dei materiali sotto diversi gradi di coercizione. Gli scienziati hanno teso e stressato questi materiali monostrato fino al punto di rompersi, tutto virtualmente.
• Qual è l'impatto? Tutto, dalla microelettronica al potente, l'armatura leggera potrebbe essere avanzata comprendendo come si comportano i materiali monostrato sotto stress.