2D -materialen Ontwerp: materiaalsterkte en taaiheid tegelijkertijd bereikt door lagen draaien

De mechanische sterkte en taaiheid van technische materialen zijn vaak elkaar uitsluitende en vormen uitdagingen voor materiaalontwerp en selectie. Om dit aan te pakken, heeft een onderzoeksteam van de Hong Kong Polytechnic University (Polyu) een innovatieve strategie ontdekt: door eenvoudig de lagen van 2D -materialen te draaien, kunnen ze de taaiheid verbeteren zonder de sterkte van het materiaal in gevaar te brengen.

Deze doorbraak vergemakkelijkt het ontwerp van sterke en stoere nieuwe 2D -materialen en promoot hun bredere toepassingen in fotonische en elektronische apparaten. De bevindingen zijn geweest gepubliceerd in Natuurmaterialen.

Hoewel 2D -materialen vaak uitzonderlijke sterkte vertonen, zijn ze extreem bros. Breuken in materialen zijn meestal ook onomkeerbaar. Deze attributen beperken het gebruik van 2D-materialen in apparaten die herhaalde vervorming vereisen, zoals high-power apparaten, flexibele elektronica en wearables.

Inspanningen om de taaiheid te verbeteren door defecten te introduceren, zoals vacatures en korrelgrenzen, verkennen vaak intrinsieke elektrische eigenschappen, wat leidt tot een afweging tussen mechanische duurzaamheid en elektronische prestaties. Daarom is het verbeteren van zowel de sterkte als de taaiheid van bulkmaterialen voor technische toepassingen een belangrijke uitdaging gebleven.

Om deze beperkingen te overwinnen, heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Jiong Zhao, professor van het Polyu Department of Applied Physics, pionier in een nieuwe Twisting Engineering -benadering waarbij Twisted Bilayer -structuren opeenvolgende breukgebeurtenissen mogelijk maken, waarbij het conflict tussen sterkte en taaiheid in 2D -materialen wordt aangepakt. De bevinding werd ondersteund door nano -indentation en theoretische analyse.

Typische overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s) zijn een klasse van 2D -materialen die bekend staan om hun unieke elektronische, optische en mechanische eigenschappen. Deze kenmerken maken hun diverse toepassingen mogelijk in elektronica en opto -elektronica, energieopslag en -conversie, sensoren en biomedische apparaten, kwantumtechnologieën, mechanica en tribologie. Door zich te concentreren op TMD’s, zoals molybdeen disulfide (MOS₂) en wolfraamdisulfide (WS₂), ontdekte het team een nieuw breukmechanisme in gedraaide bilagen.

Met behulp van in situ transmissie -elektronenmicroscopie ontdekte het team dat wanneer scheuren zich voortplanten in gedraaide dubbellaagse structuren, de mismatch van de roosteroriëntatie tussen de bovenste en onderste lagen leidt tot de vorming van in elkaar grijpende scheurpaden.

Na de initiële breuk vormen de scheurranden in beide lagen spontaan stabiele korrelgrensstructuren door zelfassemblage van interlayer. Dit onderscheidende “crack self-healing” -mechanisme beschermt daaropvolgende breuktips tegen stressconcentratie, waardoor verdere scheurvoortplanting effectief wordt voorkomen. Dit proces verbruikt met name meer energie dan conventionele breuk, en de mate van taaiheidsverbetering kan worden afgestemd door de draai- en draaihoek aan te passen.

Prof. Jiong Zhao zei: “Door het kader van de conventionele theorie van de conventionele fractuurmechanica te doorbreken, presenteert deze studie de eerste demonstratie van autonome schade-onderdrukking in 2D-materialen, het opzetten van een baanbrekende strategie voor het ontwerpen van geïntegreerde nieuwe sterk en langdurig 2D-materialen. Dit onderzoek breidt ook de toepassing van Tweistronics uit op het ontwerp van de Tweistronics voor het ontwerp van de Material Strength, Opening Maternation, Opening Peatent Peatent Peatent, Opening Peatent Peatent Peatent, Opening Peatent Peatent Peatent, Opening Maternal Toevel, Opening Maternical Employment Forse Develites.

“Terwijl fabricagetechnieken voor gedraaide 2D -materialen blijven rijpen, houdt een nieuwe generatie slimme materialen die superieure mechanische eigenschappen combineren met exotische elektrische kenmerken, veel belofte voor technologische innovatie op het gebied van flexibele elektronica, energieconversie, kwantumtechnologie en detectie.”