Un material bidimensional con propiedades físicas similares a grafeno ahora ha resultado expulsar el grafeno del agua en términos de dureza.
El material se llama nitruro de boro hexagonal (h-BN) y es tan resistente al agrietamiento que los científicos quedan atónitos. El hallazgo va en contra de la descripción fundamental de la mecánica de las fracturas que los científicos han estado utilizando para predecir y definir la tenacidad desde la década de 1920.
“Lo que observamos en este material es notable”, dijo el científico de materiales Jun Lou de la Universidad Rice.. “Nadie esperaba ver esto en materiales 2D. Por eso es tan emocionante”.
El nitruro de boro hexagonal es en realidad extremadamente similar al grafeno. Ambos materiales consisten en redes hexagonales de átomos. En el caso del grafeno, todos esos átomos son carbono; pero para h-BN, cada hexágono contiene tres átomos de boro y tres átomos de nitrógeno.
Enlaces carbono-carbono se encuentran entre los más fuertes de la naturaleza, por lo que se espera que el grafeno sea mucho más fuerte que el h-BN. En general, eso es cierto: los dos materiales tienen valores similares de resistencia y elasticidad, pero los h-BN son ligeramente más bajos. El grafeno tiene una fuerza de aproximadamente 130 gigapascales de fuerza y 1.0 terapascales de elasticidad; Los valores de h-BN son 100 gigapascales y 0,8 terapascales respectivamente.
Sin embargo, el grafeno también tiene una baja resistencia a las grietas; en otras palabras, es notablemente frágil.
“Medimos la tenacidad a la fractura del grafeno hace siete años, y en realidad no es muy resistente a la fractura”. Lou explicó. “Si tiene una grieta en la celosía, una pequeña carga simplemente romperá ese material”.
Se pensó que, debido a que las otras propiedades de h-BN son muy similares a las del grafeno, su fragilidad también sería comparable, especialmente porque la fragilidad del grafeno era consistente con la teoría de la fractura de Griffith. presentado por el ingeniero Alan Arnold Griffith en 1921. Descubrió que las grietas se propagarán cuando la tensión ejercida sobre un material sea mayor que la fuerza que lo mantiene unido; y la diferencia de energía se libera en la propagación de la grieta.
Sin embargo, cuando un equipo de investigadores fue a probar esto, encontraron algo realmente extraño: la resistencia a la fractura de h-BN es 10 veces mayor que la del grafeno. Eso es definitivamente no
Para averiguar por qué, el equipo aplicó tensión a las muestras de h-BN, utilizando microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión para observar con el menor detalle posible cómo ocurren las grietas. Y, después de más de 1.000 horas de experimentación y el análisis de seguimiento, lo descubrieron.
Imágenes de microscopía electrónica que muestran detalles finos de fracturas de h-BN. (Yang et al., Nature, 2021)
Los dos materiales pueden ser similares, pero no son exactamente iguales. En el grafeno, una grieta tiende a zigzaguear directamente a través de la estructura hexagonal simétrica, de arriba a abajo. La h-BN presenta una ligera asimetría en su estructura hexagonal, debido al contraste de tensiones entre el boro y el nitrógeno, lo que hace que las fisuras tiendan a bifurcarse.
Esto es lo que hace que el material sea mucho más resistente.
“Si la grieta está ramificada, significa que está girando”. Lou dijo. “Si tiene esta grieta giratoria, básicamente cuesta energía adicional impulsar la grieta más lejos. Por lo tanto, ha endurecido efectivamente su material al hacer que sea mucho más difícil que la grieta se propague”.
Esto tiene implicaciones para el desarrollo de materiales 2D flexibles para su uso en aplicaciones como la electrónica. Y el h-BN ya tiene una serie de propiedades que lo convierten en una excelente perspectiva para estas aplicaciones, incluida su resistencia al calor y estabilidad química.
Por lo tanto, podría proporcionar una nueva forma de desarrollar tecnologías como textiles electrónicos, tatuajes electrónicos adhesivos e incluso implantes.
“Lo que hace que este trabajo sea tan emocionante es que revela un mecanismo de endurecimiento intrínseco en un material supuestamente perfectamente frágil”. dijo el mecánico Huajian Gao de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.
“Aparentemente, incluso Griffith no pudo prever comportamientos de fractura tan drásticamente diferentes en dos materiales frágiles con estructuras atómicas similares”.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.
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