È ufficiale:il nitruro di boro esagonale (h-BN) è l'uomo di ferro dei materiali 2D, così resistente alla fessurazione da sfidare una descrizione teorica secolare che gli ingegneri usano ancora per misurare la tenacità.

"Ciò che abbiamo osservato in questo materiale è notevole, " ha detto Jun Lou della Rice University, autore corrispondente di a Natura documento pubblicato questa settimana. "Nessuno si aspettava di vederlo nei materiali 2D. Ecco perché è così eccitante".

Lou spiega il significato della scoperta confrontando la tenacità alla frattura di h-BN con quella del suo più noto cugino grafene. Strutturalmente, grafene e h-BN sono quasi identici. In ciascun, gli atomi sono disposti in un reticolo piatto di esagoni interconnessi. Nel grafene, tutti gli atomi sono carbonio, e in h-BN ogni esagono contiene tre atomi di azoto e tre di boro.

I legami carbonio-carbonio nel grafene sono i più forti della natura, che dovrebbe rendere il grafene la roba più dura in circolazione. Ma c'è un problema. Se anche pochi atomi sono fuori posto, le prestazioni del grafene possono andare da straordinarie a mediocri. E nel mondo reale, nessun materiale è esente da difetti, Lou ha detto, ecco perché la tenacità alla frattura, o resistenza alla crescita delle cricche, è così importante nell'ingegneria:descrive esattamente quanta punizione può sopportare un materiale del mondo reale prima di cedere.

"Abbiamo misurato la resistenza alla frattura del grafene sette anni fa, e in realtà non è molto resistente alla frattura, " Lou ha detto. "Se hai una crepa nel reticolo, un piccolo carico romperà semplicemente quel materiale."

In una parola, il grafene è fragile. L'ingegnere britannico A.A. Griffith pubblicò uno studio teorico seminale sulla meccanica della frattura nel 1921 che descriveva il fallimento dei materiali fragili. Il lavoro di Griffith descriveva la relazione tra la dimensione di una crepa in un materiale e la quantità di forza richiesta per far crescere la crepa.

Lo studio di Lou del 2014 ha mostrato che la resistenza alla frattura del grafene potrebbe essere spiegata dal criterio testato nel tempo di Griffith. Date le somiglianze strutturali di h-BN con il grafene, ci si aspettava anche che fosse fragile.

Non è così. La resistenza alla frattura del nitruro di boro esagonale è circa 10 volte superiore a quella del grafene, e il comportamento di h-BN nei test di frattura era così inaspettato che sfidava la descrizione con la formula di Griffith. Mostrando esattamente come si è comportato e perché ha impiegato più di 1, 000 ore di esperimenti nel laboratorio di Lou alla Rice e lavoro teorico altrettanto scrupoloso guidato dall'autore corrispondente Huajian Gao alla Nanyang Technological University (NTU) di Singapore.

"Ciò che rende questo lavoro così eccitante è che svela un meccanismo di tempra intrinseco in un materiale apparentemente perfettamente fragile, " Gao ha detto. "A quanto pare, nemmeno Griffith poteva prevedere comportamenti di frattura così drasticamente diversi in due materiali fragili con strutture atomiche simili".

Lou, Gao e colleghi hanno tracciato i comportamenti dei materiali estremamente diversi in leggere asimmetrie che risultano dal fatto che h-BN contiene due elementi invece di uno.

"Il boro e l'azoto non sono la stessa cosa, quindi anche se hai questo esagono, non è esattamente come l'esagono di carbonio (nel grafene) a causa di questa disposizione asimmetrica, " Ha detto Lu.

Ha detto che i dettagli della descrizione teorica sono complessi, ma il risultato è che le crepe in h-BN hanno la tendenza a ramificarsi e girare. Nel grafene, la punta della fessura viaggia dritta attraverso il materiale, aprendo i legami come una cerniera. Ma l'asimmetria reticolare in h-BN crea una "biforcazione" in cui possono formarsi rami.

"Se la crepa è ramificata, significa che sta girando, " Lou ha detto. "Se hai questo crack di svolta, fondamentalmente costa energia aggiuntiva per spingere ulteriormente il crack. Quindi hai effettivamente rinforzato il tuo materiale rendendo molto più difficile la propagazione della crepa".

Gao ha detto, "L'asimmetria intrinseca del reticolo conferisce a h-BN una tendenza permanente per una fessura in movimento a diramarsi dal suo percorso, come uno sciatore che ha perso la sua capacità di mantenere una postura equilibrata per andare dritto in avanti."

Il nitruro di boro esagonale è già un materiale estremamente importante per l'elettronica 2D e altre applicazioni a causa della sua resistenza al calore, stabilità chimica e proprietà dielettriche, che gli consentono di fungere sia da base di supporto che da strato isolante tra i componenti elettronici. Lou ha affermato che la sorprendente robustezza di h-BN potrebbe anche renderlo l'opzione ideale per aggiungere resistenza allo strappo all'elettronica flessibile realizzata con materiali 2D, che tendono ad essere fragili.

"L'area di nicchia per l'elettronica basata sui materiali 2D è il dispositivo flessibile, " Ha detto Lu.

Oltre ad applicazioni come i tessuti elettronici, L'elettronica 2D è abbastanza sottile per applicazioni più esotiche come tatuaggi e impianti elettronici che potrebbero essere attaccati direttamente al cervello, Egli ha detto.

"Per questo tipo di configurazione, devi assicurarti che il materiale stesso sia meccanicamente robusto quando lo pieghi, " Ha detto Lou. "Che h-BN sia così resistente alla frattura è una grande notizia per la comunità elettronica 2D, perché può usare questo materiale come uno strato protettivo molto efficace."

Gao ha affermato che i risultati potrebbero anche indicare un nuovo percorso per fabbricare metamateriali meccanici resistenti attraverso l'asimmetria strutturale ingegnerizzata.

"Sotto carico estremo, la frattura può essere inevitabile, ma i suoi effetti catastrofici possono essere mitigati attraverso la progettazione strutturale, " disse Gao.

Lou è professore e presidente del dipartimento associato in scienza dei materiali e nanoingegneria e professore di chimica alla Rice. Gao è un illustre professore universitario nelle scuole di ingegneria e scienze della NTU.

I coautori affiliati a Rice sono Yingchao Yang, ora assistente professore all'Università del Maine, Chao Wang, ora all'Harbin Institute of Technology in Cina, e Boyu Zhang. Altri coautori includono Bo Ni della Brown University; Xiaoyan Li dell'Università Tsinghua in Cina; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu e Xiaoming Xie dell'Accademia cinese delle scienze; e Zhigong Song dell'Agenzia per la Scienza, Tecnologia e ricerca a Singapore e precedentemente di Tsinghua e Brown.