Es oficial:el nitruro de boro hexagonal (h-BN) es el hombre de hierro de los materiales 2D, tan resistente al agrietamiento que desafía una descripción teórica centenaria que los ingenieros todavía usan para medir la tenacidad.

"Lo que observamos en este material es notable, "dijo Jun Lou de Rice University, coautor correspondiente de un Naturaleza artículo publicado esta semana. "Nadie esperaba ver esto en materiales 2D. Por eso es tan emocionante".

Lou explica la importancia del descubrimiento comparando la tenacidad a la fractura del h-BN con la de su primo más conocido, el grafeno. Estructuralmente el grafeno y el h-BN son casi idénticos. En cada, los átomos están dispuestos en una red plana de hexágonos interconectados. En grafeno, todos los átomos son carbono, y en h-BN cada hexágono contiene tres átomos de nitrógeno y tres de boro.

Los enlaces carbono-carbono del grafeno son los más fuertes de la naturaleza, lo que debería hacer que el grafeno sea el material más resistente. Pero hay una trampa. Si incluso unos pocos átomos están fuera de lugar, El rendimiento del grafeno puede pasar de extraordinario a mediocre. Y en el mundo real ningún material está libre de defectos, Lou dijo, razón por la cual la tenacidad de la fractura, o la resistencia al crecimiento de grietas, es tan importante en la ingeniería:describe exactamente cuánto castigo puede soportar un material del mundo real antes de fallar.

"Medimos la resistencia a la fractura del grafeno hace siete años, y en realidad no es muy resistente a las fracturas, "Dijo Lou." Si tienes una grieta en la celosía, una pequeña carga simplemente romperá ese material ".

En una palabra, el grafeno es frágil. El ingeniero británico A.A. Griffith publicó un estudio teórico fundamental de la mecánica de las fracturas en 1921 que describía la falla de los materiales frágiles. El trabajo de Griffith describió la relación entre el tamaño de una grieta en un material y la cantidad de fuerza requerida para hacer crecer la grieta.

El estudio de Lou de 2014 mostró que la resistencia a la fractura del grafeno podría explicarse por el criterio probado por el tiempo de Griffith. Dadas las similitudes estructurales de h-BN con el grafeno, también se esperaba que fuera frágil.

Ese no es el caso. La resistencia a la fractura del nitruro de boro hexagonal es aproximadamente 10 veces mayor que la del grafeno, y el comportamiento de h-BN en las pruebas de fractura fue tan inesperado que desafió la descripción con la fórmula de Griffith. Mostrando con precisión cómo se comportó y por qué tomó más de 1, 000 horas de experimentos en el laboratorio de Lou en Rice y un trabajo teórico igualmente minucioso dirigido por el coautor para correspondencia Huajian Gao en la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur.

"Lo que hace que este trabajo sea tan emocionante es que revela un mecanismo de endurecimiento intrínseco en un material supuestamente perfectamente frágil, "Dijo Gao." Aparentemente, incluso Griffith no pudo prever comportamientos de fractura tan drásticamente diferentes en dos materiales frágiles con estructuras atómicas similares ".

Lou Gao y sus colegas rastrearon los comportamientos materiales tremendamente diferentes hasta leves asimetrías que resultan de que h-BN contiene dos elementos en lugar de uno.

"El boro y el nitrógeno no son lo mismo, así que aunque tengas este hexágono, no es exactamente como el hexágono de carbono (en grafeno) debido a esta disposición asimétrica, "Dijo Lou.

Dijo que los detalles de la descripción teórica son complejos, pero el resultado es que las grietas en h-BN tienden a ramificarse y girar. En grafeno, la punta de la grieta viaja directamente a través del material, abriendo lazos como una cremallera. Pero la asimetría de celosía en h-BN crea una "bifurcación" donde se pueden formar ramas.

"Si la grieta está ramificada, eso significa que está girando, "Dijo Lou." Si tienes esta grieta giratoria, Básicamente, cuesta energía adicional impulsar más la grieta. De modo que ha endurecido su material de manera eficaz al dificultar la propagación de la grieta ".

Gao dijo, "La asimetría intrínseca de la celosía confiere a h-BN una tendencia permanente a que una grieta en movimiento se desvíe de su camino, como un esquiador que ha perdido su capacidad de mantener una postura equilibrada para moverse hacia adelante ".

El nitruro de boro hexagonal ya es un material extremadamente importante para la electrónica 2D y otras aplicaciones debido a su resistencia al calor. estabilidad química y propiedades dieléctricas, que le permiten servir tanto como base de apoyo como como capa aislante entre componentes electrónicos. Lou dijo que la sorprendente dureza del h-BN también podría convertirlo en la opción ideal para agregar resistencia al desgarro a la electrónica flexible hecha de materiales 2D. que tienden a ser frágiles.

"El área de nicho para la electrónica basada en materiales 2D es el dispositivo flexible, "Dijo Lou.

Además de aplicaciones como textiles electrónicos, La electrónica 2D es lo suficientemente delgada para aplicaciones más exóticas como tatuajes electrónicos e implantes que podrían adherirse directamente al cerebro. él dijo.

"Para este tipo de configuración, debe asegurarse de que el material en sí sea mecánicamente robusto cuando lo doble, "Lou dijo." Que h-BN sea tan resistente a las fracturas es una gran noticia para la comunidad electrónica 2D, porque puede utilizar este material como una capa protectora muy eficaz ".

Gao dijo que los hallazgos también pueden apuntar a una nueva ruta para fabricar metamateriales mecánicos resistentes a través de la asimetría estructural diseñada.

"Bajo carga extrema, la fractura puede ser inevitable, pero sus efectos catastróficos pueden mitigarse mediante el diseño estructural, "Dijo Gao.

Lou es profesor y director asociado del departamento de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química en Rice. Gao es un distinguido profesor universitario en las escuelas de ingeniería y ciencias de NTU.

Los coautores afiliados a Rice son Yingchao Yang, ahora profesor asistente en la Universidad de Maine, Chao Wang, ahora en el Instituto de Tecnología de Harbin en China, y Boyu Zhang. Otros coautores incluyen a Bo Ni de la Universidad de Brown; Xiaoyan Li de la Universidad de Tsinghua en China; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu y Xiaoming Xie de la Academia de Ciencias de China; y Zhigong Song de la Agencia para la Ciencia, Tecnología e investigación en Singapur y anteriormente de Tsinghua y Brown.