Dagli smartphone che si piegano ai pannelli solari che avvolgono le case, l'elettronica flessibile potrebbe rendere i consumatori molto felici. Ma prima, qualcuno deve capire come farli. Una domanda importante è quali materiali sono abbastanza resistenti da mantenere le loro proprietà elettroniche in condizioni così difficili?

La risposta potrebbe risiedere nei materiali 2-D, materiali emergenti che sono singoli strati di atomi. I materiali 2-D hanno proprietà elettroniche uniche, e dovrebbero essere utili nei futuri dispositivi elettronici, nanocompositi, dispositivi medici, fotovoltaico, termoelettrico e altro. Però, I materiali 2-D sono fragili, che ha il potenziale per limitarne l'uso.

All'Università del Delaware, M. Zubaer Hossain studia i modi per controllare la tenacità e la resistenza dei materiali 2-D e capire come si comportano in condizioni di carico, come essere allungato, caduto, o piegato. In un articolo recentemente pubblicato su Rivista di fisica applicata , Ossario, un assistente professore di ingegneria meccanica, ha descritto nuove intuizioni sulla forza e la tenacità del nitruro di boro esagonale materiale 2-D, che è stato studiato per l'uso in parte perché è un ottimo isolante.

"Volevamo capire la forza e la tenacità di questo materiale fragile e cercare di capire il comportamento, forza e tenacia lungo direzioni diverse, " ha detto. "E quello che troviamo in questo lavoro è che dipendono molto dalla direzione di caricamento".

Immagina di tenere un pezzo di carta a faccia in giù davanti a te. Se tiri fuori i lati destro e sinistro, la carta non si piegherà, disse Hossain. Però, se tiri quei bordi verso il basso, la carta si piegherà. "Questo stesso pezzo di carta ha proprietà meccaniche diverse a seconda della direzione in cui lo si carica, e la stessa idea può essere applicata ai materiali 2-D, " disse. Quando le proprietà dipendono dalla direzione del carico, il materiale è anisotropo.

Hossain ha cercato di determinare se il nitruro di boro esagonale è anisotropo per quanto riguarda resistenza e tenacità, e ho scoperto che lo è. Voleva anche capire come l'anisotropia in questo materiale influenzi le sue proprietà elettroniche. Se le proprietà elettroniche cambiano, il risultato potrebbe rappresentare un problema, o in alcuni casi, un'opportunità:una funzionalità completamente nuova che i ricercatori possono utilizzare. In entrambi i casi, gli scienziati devono capire cosa sta succedendo per massimizzare l'uso del materiale.

Hossain ha anche esaminato il materiale fino al punto di massima sollecitazione per determinare se la direzione del carico influisce sul cedimento.

"Questo lavoro mostra che la forza o il carico al quale un materiale inizia a cedere dipende fortemente dalla direzione di carico, " ha detto. Hanno anche determinato dove il materiale avrebbe iniziato a rompersi e come determinare il percorso della fessura. Il percorso è previsto dalla direzione di carico proprio come altre proprietà.

Hossain esaminò il materiale su scala atomica:dopotutto, ogni materiale è solo un insieme di atomi legati attraverso interazioni elettroniche.

"C'è una base atomistica dietro questa risposta differenziale, " ha detto. "La disposizione degli atomi è diversa in direzioni diverse".

I legami tra gli atomi cambiano e si sovrappongono, e gli elettroni si ridistribuiscono. Questa ridistribuzione degli elettroni dipende dalla direzione di caricamento.

L'attività atomica aiuta anche a spiegare cosa succede quando il materiale si rompe. Quando la crepa inizia per la prima volta rompendo un legame su scala atomica, l'evento potrebbe non essere rilevabile da misurazioni macroscopiche, a causa del tempo coinvolto nella propagazione del segnale di stress. Un legame rotto può auto-guarirsi finché lo stress che guida il processo di rottura del legame smette di aumentare la sua intensità.

"I difetti possono auto-ripararsi se il caricamento è corretto, ma se superi quel punto critico, potrebbe non essere più recuperabile, " Egli ha detto.

L'esperienza di Hossain nell'ingegneria meccanica gli consente di adottare un approccio unico a questa ricerca.

"Di solito le proprietà e i meccanismi dei materiali su scala quantistica sono studiati da fisici o scienziati dei materiali, per lo più in condizioni di equilibrio o indeformate lontane dalla condizione meccanica in cui i processi di frattura iniziano a nucleanti o a propagarsi, " ha detto. "La nostra ricerca è interdisciplinare. Guardiamo alla forza e alla tenacia, che sono materie tradizionali dell'ingegneria meccanica, ma cerchiamo di capire la forza e la tenacità da una prospettiva della meccanica quantistica, che di solito non è il caso degli ingegneri meccanici. Cerchiamo di costruire e applicare analisi e strumenti basati sulla fisica per rivelare meccanismi su scala nanometrica e identificare il loro ruolo sul comportamento meccanico che vediamo su scale di lunghezza maggiore".

Queste sono competenze sempre più importanti poiché i dispositivi diventano sempre più veloci e sofisticati e i consumatori richiedono prodotti più versatili.

"Oggi, dobbiamo essere in grado di progettare il comportamento a livello elettronico, " Egli ha detto.