Оказва се, че двуизмерен материал с физически свойства, сходни с тези на графена, е много по-издръжлив от него – поне по отношение на своята жилавост.
Материалът се нарича шестоъгълен борен нитрид (h-BN) и е толкова устойчив на напукване, че учените са буквално изумени. Откритието влиза в пряк конфликт с фундаменталното описание на механиката на фрактурите, която учените използват, за да предсказват и дефинират издръжливостта от 20-те години на миналия век.
„Това, което наблюдавахме при този материал, е забележително – коментира Юн Лу от университета „Райс“ – Никой не очакваше да види подобно нещо в 2D материал. Ето защо това е толкова вълнуващо.“
Всъщност шестоъгълният борен нитрид е изключително сходен с графена. И двата материала се състоят от шестоъгълни решетки от атоми. В случая на графена всички атоми са въглерод, но при h-BN всеки шестоъгълник съдържа три атома бор и три – азот.
Връзките въглерод-въглерод са сред най-силните в природата. Ето защо човек би предположил, че графенът би бил много по-як от h-BN. В общи линии това е вярно – двата материала имат сходни показатели по сила и еластичност, но тези на h-BN са малко по-ниски. Графенът е най-силният материал – с максимална якост на опън от 130 гигапаскала. Показателят му за еластичност пък е 1,0 терапаскала. Стойностите на h-BN пък са съответно 100 гигапаскала и 0,8 терапаскала.
Графенът обаче има ниска устойчивост към покнатини. С други думи – той е забележително крехък.
„Измерихме издръжливостта на фрактури на графена преди седем години – той не е особено устойчив в това отношение – обяснява Л. – Ако имате пукнатина в решетката, и най-малкото натоварване ще счупи материала.“
Учените са предполагали, че поради факта, че h-BN притежава свойства, сходни с тези на графена, и той ще е също толкова крехък (особено на фона на факта, че крехкостта на графена е последователна с теорията на Андрю Грифит за фрактурата. Той открива, че пукнатините ще започнат да се разпространяват, ако натискът, оказан върху материала, е по-голям от силата, която свързва елементите в него; и разликата в енергията се освобождава при разпространението на пукнатината.
Когато учените решават да проверят тази теория при h-BN, те откриват нещо странно – оказва се, че шестоъгълният борен нитрид е 10 пъти по-висока от тази на графена. Това определено не съвпада с теорията на Грифит.
За да разберат защо, изследователите оказват натиск върху проби от h-BN с помощта на сканираща електронна микроскопия и трансмисионна електронна микроскопия. Именно по този начин те могат да наблюдават как се появяват пукнатините с впечатляваща прецизност. След около 1000 часа на експерименти и направения впоследствие анализ, те вече разполагат с отговора.
Фрактура на h-BN, погледната под електронен микроскоп. Източник: Yang et al., Nature, 2021
Да, двата материала са сходни, но те не са напълно еднакви. При графена пукнатината криволичи зигзагообразно направо през симетричната шестоъгълна структура – отгоре надолу. Шестогълната структура на h-BN обаче e леко асиметрична. Това се дължи на контраста в напрежението между бора и азота, което означава, че пукнатините имат склонността да се разклоняват.
Тъкмо това повишава устойчивостта на материала.
„Ако пукнатината е разклонена, това означава, че тя се извива – обяснява Лу. – Ако се появи подобна извиваща се пукнатина, е необходима допълнителна енергия, за да задвижи пукнатината напред. Т.е. по този начин вие на практика заздравявате материала, като правите така, че е по-трудно на пукнатината да се разпространи.“
Откритието на учените би могло да допринесе за разработката на гъвкави двуизмерни материали, които да намерят най-различни приложения (например в електрониката). Пък и h-BN вече разполага с множество други свойства, които го правят подходящ за подобни цели – той например е устойчив на топлина и е химически стабилен.
С други думи – h-BN би могъл да предложи нови методи за разработка на технологии като гъвкав текстил, самозалепващи се електронни татуировки и дори импланти.
Изследването е публикувано в Nature.
