Vistas superior y lateral de inestabilidades de modo suave en materiales monocapa tensados. En grafeno, nitruro de boro, y grafano, la columna vertebral se distorsiona hacia anillos aislados de seis átomos, mientras que el disulfuro de molibdeno sufre una clara distorsión hacia la coordinación piramidal trigonal.
(Phys.org) —Interesado en un ultrarrápido, irrompible, y un teléfono inteligente flexible que se recarga en cuestión de segundos? Los materiales monocapa pueden hacerlo posible. Estas láminas delgadas como átomos, incluido el famoso supermaterial grafeno, presentan propiedades mecánicas y electrónicas excepcionales y sin explotar. Pero para aprovechar al máximo estos maravillosos materiales adaptados atómicamente, los científicos deben descubrir los secretos de cómo y por qué se doblan y rompen bajo estrés.
Afortunadamente, Los investigadores ahora han identificado el mecanismo de ruptura de varios materiales monocapa cientos de veces más fuertes que el acero con propiedades exóticas que podrían revolucionar todo, desde la armadura hasta la electrónica. Un equipo de la Universidad de Columbia utilizó supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Para simular y sondear procesos de mecánica cuántica que serían extremadamente difíciles de explorar experimentalmente.
Descubrieron que tensar los materiales inducía una nueva transición de fase:una reestructuración en sus estructuras cristalinas casi perfectas que conduce a la inestabilidad y al fracaso. Asombrosamente, el fenómeno persistió en varios materiales diferentes con propiedades electrónicas dispares, lo que sugiere que las monocapas pueden tener inestabilidades intrínsecas que deben superarse o explotarse. Los resultados fueron publicados en la revista Revisión física B .
"Nuestros cálculos expusieron los cambios fundamentales en la estructura y el carácter de estos materiales monocapa cuando se estresan, ", dijo el coautor del estudio y candidato a doctorado de la Universidad de Columbia, Eric Isaacs." Ver los hermosos patrones exhibidos por estos materiales en sus puntos de ruptura por primera vez fue enormemente emocionante e importante para aplicaciones futuras ".
El equipo examinó virtualmente esta transición de fase exótica en el grafeno, nitruro de boro, disulfuro de molibdeno, y grafano, todos materiales monocapa prometedores.
Destrucción simulada
Los materiales monocapa experimentan tensión en escalas atómicas, exigiendo una experiencia de investigación diferente a la del equipo de demolición promedio. Isaacs y sus colaboradores recurrieron a un marco matemático llamado teoría funcional de la densidad (DFT) para describir los procesos de la mecánica cuántica que se desarrollan en los materiales.
"DFT nos permite estudiar materiales directamente de las leyes fundamentales de la física, cuyos resultados se pueden comparar directamente con datos experimentales, "dijo Chris Marianetti, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Columbia y coautor del estudio. "Suministramos las constantes fundamentales y los núcleos del material, y utilizando DFT podemos aproximarnos mucho a las características reales del material en diferentes condiciones ".
En este estudio, Los cálculos de DFT revelaron las estructuras atómicas de los materiales, valores de estrés, propiedades vibratorias, y si actuaron como metales, semiconductores, o aisladores bajo tensión. Alternar o mantener esas propiedades conductoras es particularmente importante para futuras aplicaciones en microelectrónica.
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"Probar todas las diferentes configuraciones atómicas para cada material sometido a tensión se reduce a una enorme cantidad de cálculos, ", Dijo Isaacs." Sin los recursos y la experiencia de supercomputación altamente paralelos en Brookhaven, hubiera sido casi imposible señalar esta transición en monocapas tensas ".
Half-Pipe atómico retorcido
Todo se rompe bajo suficiente estrés por supuesto, pero no todo se transforma de manera significativa a lo largo del camino. Una rama de roble doblada, por ejemplo, no entra en una extraña fase de transición mientras se arrastra hacia su punto de ruptura, simplemente se rompe. Materiales monocapa, resulta, jugar con reglas muy diferentes.
Dentro de las celosías en forma de panal de monocapas como el grafeno, nitruro de boro, y graphane, los átomos vibran rápidamente en su lugar. Diferentes estados vibracionales, que dictan muchas de las propiedades mecánicas del material, se llaman "modos". A medida que se tensan las estructuras hexagonales perfectas de tales monocapas, entran en un sutil "modo suave":los átomos que vibran se liberan de sus configuraciones originales y se distorsionan hacia nuevas estructuras a medida que los materiales se rompen.
"Imagínese un patinador en un half-pipe, "Isaacs dijo." Normalmente, el patinador se desliza hacia adelante y hacia atrás pero permanece centrado sobre el fondo. Pero si giramos y deformamos ese medio tubo lo suficiente, el patinador sale rodando y nunca regresa; es como este modo suave en el que los átomos vibrantes se alejan de sus posiciones en la red ".
Rompiendo suavemente
Los investigadores encontraron que este modo suave vibracional causaba persistencia, distorsiones inestables en la mayoría de los materiales monocapa conocidos. En el caso del grafeno, nitruro de boro, y graphane, la columna vertebral del perfecto entramado cristalino distorsionado hacia anillos hexagonales aislados. La distorsión del modo suave terminó rompiendo el grafeno, nitruro de boro, y disulfuro de molibdeno.
A medida que las monocapas se tensaron, el costo energético de cambiar las longitudes de los enlaces se volvió significativamente más débil, en otras palabras, bajo suficiente estrés, el modo suave emergente anima a los átomos a reorganizarse en configuraciones inestables. Esto, a su vez, dicta cómo se puede controlar esa tensión y ajustar el rendimiento de la monocapa.
“Nuestro trabajo demuestra que el mecanismo de falla del modo suave no es exclusivo del grafeno y sugiere que podría ser una característica intrínseca de los materiales monocapa, "Dijo Isaacs.
Renovaciones monocapa
Armado con este conocimiento, Los investigadores ahora pueden descubrir cómo retrasar la aparición de las inestabilidades recientemente caracterizadas y mejorar la resistencia de las monocapas existentes. Más allá de eso, los científicos pueden incluso diseñar nuevos materiales ultrarresistentes que anticipen y superen la debilidad del modo suave.
"Más allá de la emoción del descubrimiento, este trabajo es inmediatamente útil para una gran comunidad de investigadores entusiasmados por aprender y explotar el grafeno y sus primos, "Isaacs dijo." Por ejemplo, hemos estado trabajando con experimentadores de Columbia que utilizan una técnica llamada 'nanoindentación' para medir experimentalmente algo de lo que simulamos ".
Conclusiones clave
