Una ceramica che diventa più elettricamente conduttiva sotto sollecitazione elastica e meno conduttiva sotto sollecitazione plastica potrebbe portare a una nuova generazione di sensori incorporati in strutture come edifici, ponti e aerei in grado di monitorare la propria salute.

La disparità elettrica promossa dai due tipi di ceppo non era evidente fino a quando Rouzbeh Shahsavari della Rice University, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria, e i suoi colleghi hanno modellato un nuovo composto bidimensionale, nitruro di grafene-boro (GBN).

Sotto sforzo elastico, la struttura interna di un materiale teso come un elastico non cambia. Ma lo stesso materiale sotto sforzo plastico, causato in questo caso allungandolo abbastanza oltre l'elasticità da deformarsi, distorce il suo reticolo cristallino. GBN, si scopre, mostra proprietà elettriche diverse in ogni caso, rendendolo un degno candidato come sensore strutturale.

Shahsavari aveva già determinato che il nitruro di boro esagonale, noto anche come grafene bianco, può migliorare le proprietà della ceramica. Lui e i suoi colleghi hanno scoperto che l'aggiunta di grafene li rende ancora più forti e versatili, insieme alle loro sorprendenti proprietà elettriche.

La magia sta nella capacità di bidimensionalità, grafene a base di carbonio e grafene bianco per legarsi tra loro in vari modi, a seconda delle loro concentrazioni relative. Sebbene il grafene e il grafene bianco evitino naturalmente l'acqua, facendoli ammassare, i nanofogli combinati si disperdono facilmente in un impasto liquido durante la produzione della ceramica.

La ceramica risultante, secondo i modelli teorici degli autori, diventerebbero semiconduttori sintonizzabili con maggiore elasticità, forza e duttilità.

La ricerca guidata da Shahsavari e Asghar Habibnejad Korayem, un assistente professore di ingegneria strutturale presso l'Iran University of Science and Technology e un ricercatore presso la Monash University di Melbourne, Australia, appare sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce .

Il grafene è una forma di carbonio ben studiata, nota per la sua mancanza di una banda proibita, la regione che un elettrone deve saltare per rendere conduttivo un materiale. Senza band gap, il grafene è un conduttore metallico. grafene bianco, con la sua ampia banda proibita, è un isolante. Quindi maggiore è il rapporto di grafene nel composto 2-D, più il materiale sarà conduttivo.

Mescolato alla ceramica in una concentrazione sufficientemente alta, il composto 2-D soprannominato GBN formerebbe una rete tanto conduttiva quanto lo consente la quantità di carbonio nella matrice. Ciò conferisce al composito complessivo una banda proibita sintonizzabile che potrebbe prestarsi a una varietà di applicazioni elettriche.

"La fusione di materiali 2-D come il grafene e il nitruro di boro in ceramiche e cementi consente nuove composizioni e proprietà che non possiamo ottenere né con il grafene né con il nitruro di boro da soli, "Ha detto Shahsavari.

Il team ha utilizzato calcoli della teoria del funzionale della densità per modellare le variazioni del composto 2-D mescolato con tobermorite, un materiale idrato di silicato di calcio comunemente usato come cemento per calcestruzzo. Hanno determinato che i legami ossigeno-boro formati nella ceramica lo avrebbero trasformato in un semiconduttore di tipo p.

La tobermorite di per sé ha un ampio gap di banda di circa 4,5 elettronvolt, ma i ricercatori hanno calcolato che se mescolati con nanofogli GBN di parti uguali di grafene e grafene bianco, quel divario si ridurrebbe a 0,624 elettronvolt.

Quando teso nel regime elastico, la banda proibita della ceramica cadde, rendendo il materiale più conduttivo, ma quando allungato oltre l'elasticità, cioè, nel regime plastico, diventava meno conduttivo. quell'interruttore, i ricercatori hanno detto, lo rende un materiale promettente per applicazioni di auto-rilevamento e monitoraggio della salute strutturale.

I ricercatori hanno suggerito altri fogli 2-D con bisolfuro di molibdeno, Il diseleniuro di niobio o gli idrossidi doppi stratificati possono fornire opportunità simili per la progettazione dal basso verso l'alto di sintonizzabili, compositi multifunzionali. "Ciò fornirebbe una piattaforma fondamentale per il rinforzo del cemento e del calcestruzzo nella loro dimensione più piccola possibile, "Ha detto Shahsavari.