Desde teléfonos inteligentes que se doblan hasta paneles solares que envuelven las casas, la electrónica flexible podría hacer muy felices a los consumidores. Pero primero, alguien tiene que averiguar cómo hacerlos. Una pregunta importante es qué materiales son lo suficientemente resistentes para mantener sus propiedades electrónicas en condiciones tan duras.

La respuesta podría estar en materiales 2-D, materiales emergentes que son capas simples de átomos. Los materiales 2-D tienen propiedades electrónicas únicas, y se espera que sean útiles en futuros dispositivos electrónicos, nanocompuestos, dispositivos médicos, fotovoltaica, termoeléctricos y más. Sin embargo, Los materiales 2-D son frágiles, que tiene el potencial de limitar su uso.

En la Universidad de Delaware, M. Zubaer Hossain estudia formas de controlar la tenacidad y resistencia de los materiales 2-D y comprende cómo se comportan en condiciones de carga. como ser estirado, abandonó, o doblado. En un artículo publicado recientemente en Revista de física aplicada , Hossain, un profesor asistente de ingeniería mecánica, describió nuevos conocimientos sobre la resistencia y la tenacidad del material 2-D de nitruro de boro hexagonal, cuyo uso se está investigando en parte porque es un muy buen aislante.

"Queríamos comprender la fuerza y ​​la tenacidad de este material quebradizo y tratar de comprender el comportamiento, fuerza y ​​tenacidad en diferentes direcciones, ", dijo." Y lo que encontramos en este trabajo es que dependen mucho de la dirección de carga ".

Imagina que tienes un trozo de papel boca abajo frente a ti. Si tira de los lados derecho e izquierdo hacia afuera, el papel no se dobla, —dijo Hossain. Sin embargo, si tiras esos bordes hacia abajo, el papel se doblará. "Esta misma hoja de papel tiene diferentes propiedades mecánicas según la dirección en la que se cargue, y la misma idea se puede aplicar a materiales 2-D, ", dijo. Cuando las propiedades dependen de la dirección de la carga, el material es anisotrópico.

Hossain trató de determinar si el nitruro de boro hexagonal es anisotrópico en cuanto a resistencia y tenacidad, y descubrí que lo es. También quería comprender cómo la anisotropía en este material afecta sus propiedades electrónicas. Si las propiedades electrónicas cambian, el resultado podría suponer un problema, o en algunos casos, una oportunidad:una nueva funcionalidad que los investigadores pueden utilizar. De cualquier manera, los científicos deben comprender lo que está sucediendo para maximizar el uso del material.

Hossain también examinó el material hasta el punto de tensión máxima para determinar si la dirección de carga afecta la falla.

"Este trabajo muestra que la resistencia o la carga a la que un material comienza a fallar depende en gran medida de la dirección de carga, ", dijo. También determinaron dónde comenzaría a agrietarse el material y cómo determinar el camino de la grieta. El camino se predice por la dirección de carga al igual que otras propiedades".

Hossain examinó el material a escala atómica; después de todo, cada material es solo una colección de átomos unidos a través de interacciones electrónicas.

"Hay una base atomística detrás de esta respuesta diferencial, ", dijo." La disposición de los átomos es diferente en diferentes direcciones ".

Los enlaces entre los átomos cambian y se superponen, y los electrones se redistribuyen. Esta redistribución de electrones depende de la dirección de carga.

La actividad atómica también ayuda a explicar qué sucede cuando el material se agrieta. Cuando la grieta comienza rompiendo un enlace a escala atómica, el evento puede no ser detectable a partir de mediciones macroscópicas, debido al tiempo involucrado en la propagación de la señal de estrés. Un vínculo roto puede autocurarse siempre que la tensión que conduce al proceso de ruptura del vínculo deje de aumentar su intensidad.

"Los defectos pueden curarse por sí mismos si la carga es la correcta, pero si pasas ese punto crítico, puede que ya no sea recuperable, " él dijo.

La experiencia de Hossain en ingeniería mecánica le permite adoptar un enfoque único para esta investigación.

"Por lo general, las propiedades y los mecanismos de los materiales a escala cuántica son estudiados por físicos o científicos de materiales, principalmente en condiciones de equilibrio o no deformadas que están lejos de la condición mecánica donde los procesos de fractura comienzan a nuclearse o propagarse, ", dijo." Nuestra investigación es interdisciplinaria. Miramos la fuerza y ​​la dureza, que son materias tradicionales de la ingeniería mecánica, pero tratamos de comprender la fuerza y ​​la dureza desde una perspectiva de la mecánica cuántica, que no suele ser el caso de los ingenieros mecánicos. Intentamos construir y aplicar análisis y herramientas basados ​​en la física para revelar mecanismos a nanoescala e identificar su papel en el comportamiento mecánico que vemos a escalas de mayor longitud ".

Estas son habilidades cada vez más importantes a medida que los dispositivos se vuelven cada vez más rápidos y sofisticados y los consumidores demandan productos más versátiles.

"Hoy en día, necesitamos poder diseñar el comportamiento a nivel electrónico, " él dijo.