De opmerkelijke taaiheid van zeshoekig boornitride ontmaskerd

Het is officieel: zeshoekig boornitride (h-BN) is de ijzeren man van 2D-materialen, zo bestand tegen scheuren dat het een eeuwenoude theoretische beschrijving tart die ingenieurs nog steeds gebruiken om taaiheid te meten.

“Wat we in dit materiaal hebben waargenomen, is opmerkelijk”, zei Jun Lou van Rice University, co-corresponderende auteur van a Natuur deze week gepubliceerde krant. “Niemand had verwacht dit in 2D-materialen te zien. Daarom is het zo spannend.”

Lou legt het belang van de ontdekking uit door de breuktaaiheid van h-BN te vergelijken met die van zijn bekendere neef grafeen. Structureel zijn grafeen en h-BN bijna identiek. In elk zijn atomen gerangschikt in een plat rooster van onderling verbonden zeshoeken. In grafeen zijn alle atomen koolstof en in h-BN bevat elke zeshoek drie stikstof- en drie booratomen.

De koolstof-koolstofbindingen in grafeen zijn de sterkste van de natuur, wat van grafeen het moeilijkste spul zou moeten maken dat er is. Maar er is een addertje onder het gras. Als zelfs maar een paar atomen niet op hun plaats zijn, kunnen de prestaties van grafeen van buitengewoon tot middelmatig gaan. En in de echte wereld is geen enkel materiaal defectvrij, zei Lou. Daarom is breuktaaiheid – of weerstand tegen scheurgroei – zo belangrijk in de techniek: het beschrijft precies hoeveel straf een echt materiaal kan weerstaan ​​​​voordat het faalt.

“We hebben zeven jaar geleden de breuktaaiheid van grafeen gemeten en het is eigenlijk niet erg bestand tegen breuk”, zei Lou. “Als je een scheur in het rooster hebt, zal een kleine lading dat materiaal gewoon breken.”

Kortom, grafeen is broos. De Britse ingenieur AA Griffith publiceerde in 1921 een baanbrekende theoretische studie van breukmechanica waarin het falen van brosse materialen werd beschreven. Het werk van Griffith beschreef de relatie tussen de grootte van een scheur in een materiaal en de hoeveelheid kracht die nodig is om de scheur te laten groeien.

Lou’s onderzoek uit 2014 toonde aan dat de breuktaaiheid van grafeen kan worden verklaard door het beproefde criterium van Griffith. Gezien de structurele overeenkomsten van h-BN met grafeen, werd ook verwacht dat het bros zou zijn.

Dat is niet het geval. De breukweerstand van zeshoekig boornitride is ongeveer 10 keer hoger dan die van grafeen, en het gedrag van h-BN in breuktests was zo onverwacht dat het de beschrijving tartte met de formule van Griffith. Het liet precies zien hoe het zich gedroeg en waarom het meer dan 1.000 uur aan experimenten kostte in Lou’s lab in Rice en even nauwgezet theoretisch werk onder leiding van co-corresponderende auteur Huajian Gao aan de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore.

“Wat dit werk zo opwindend maakt, is dat het een intrinsiek hardingsmechanisme onthult in een zogenaamd perfect bros materiaal,” zei Gao. “Blijkbaar kon zelfs Griffith zo’n drastisch verschillend breukgedrag in twee brosse materialen met vergelijkbare atomaire structuren niet voorzien.”

Lou, Gao en collega’s herleidden het enorm verschillende materiële gedrag tot lichte asymmetrieën die het gevolg zijn van h-BN dat twee elementen bevat in plaats van één.

“Boor en stikstof zijn niet hetzelfde, dus ook al heb je deze zeshoek, het is niet precies zoals de koolstofzeshoek (in grafeen) vanwege deze asymmetrische opstelling,” zei Lou.

Hij zei dat de details van de theoretische beschrijving complex zijn, maar het resultaat is dat scheuren in h-BN de neiging hebben om te vertakken en te draaien. In grafeen gaat de punt van de scheur dwars door het materiaal en opent zich als een rits. Maar de roosterasymmetrie in h-BN creëert een “vertakking” waar takken kunnen worden gevormd.

“Als de scheur vertakt is, betekent dit dat hij draait,” zei Lou. “Als je deze draaiende scheur hebt, kost het in feite extra energie om de scheur verder te drijven. Dus je hebt je materiaal effectief gehard door het veel moeilijker te maken voor de scheur om zich te verspreiden.”

Gao zei: “De intrinsieke roosterasymmetrie geeft h-BN een permanente neiging voor een bewegende scheur om zich van zijn pad te vertakken, zoals een skiër die haar of zijn vermogen heeft verloren om een ​​evenwichtige houding te behouden om recht vooruit te gaan.”

Zeshoekig boornitride is al een uiterst belangrijk materiaal voor 2D-elektronica en andere toepassingen vanwege zijn hittebestendigheid, chemische stabiliteit en diëlektrische eigenschappen, waardoor het zowel als ondersteunende basis als als isolerende laag tussen elektronische componenten kan dienen. Lou zei dat de verrassende taaiheid van h-BN het ook de ideale optie zou kunnen maken voor het toevoegen van scheurweerstand aan flexibele elektronica gemaakt van 2D-materialen, die vaak broos zijn.

“Het nichegebied voor op 2D-materiaal gebaseerde elektronica is het flexibele apparaat”, zei Lou.

Naast toepassingen zoals elektronisch textiel, is 2D-elektronica dun genoeg voor meer exotische toepassingen zoals elektronische tatoeages en implantaten die rechtstreeks op de hersenen kunnen worden bevestigd, zei hij.

“Voor dit type configuratie moet je ervoor zorgen dat het materiaal zelf mechanisch robuust is wanneer je het buigt”, zei Lou. “Dat h-BN zo breukvast is, is geweldig nieuws voor de 2D-elektronicagemeenschap, omdat het dit materiaal als een zeer effectieve beschermende laag kan gebruiken.”

Gao zei dat de bevindingen ook kunnen wijzen op een nieuwe route om taaie mechanische metamaterialen te fabriceren door middel van gemanipuleerde structurele asymmetrie.

“Onder extreme belasting kan breuk onvermijdelijk zijn, maar de catastrofale effecten ervan kunnen worden verzacht door structureel ontwerp,” zei Gao.

Lou is een professor en associate afdelingsvoorzitter in materiaalkunde en nano-engineering en een professor in de chemie bij Rice. Gao is een vooraanstaande universiteitsprofessor in de scholen van zowel techniek als wetenschap aan de NTU.

Rice-aangesloten co-auteurs zijn Yingchao Yang, nu een assistent-professor aan de Universiteit van Maine, Chao Wang, nu aan het Harbin Institute of Technology in China, en Boyu Zhang. Andere co-auteurs zijn onder meer Bo Ni van Brown University; Xiaoyan Li van de Tsinghua-universiteit in China; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu en Xiaoming Xie van de Chinese Academie van Wetenschappen; en Zhigong Song van het Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek in Singapore en voorheen van Tsinghua en Brown.