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Revelando la notable dureza del nitruro de boro hexagonal

imagen: Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra grietas ramificadas en un único cristal de nitruro de boro hexagonal (h-BN) bidimensional. Los experimentos y el modelado por computadora de la Universidad de Rice y la Universidad Tecnológica de Nanyang demostraron … Ver Más

Crédito: Imagen cortesía de J. Low / Rice University

HOUSTON – (2 de junio de 2021) – OFICIAL: El nitruro de boro hexagonal (h-BN) es el hombre de hierro de los materiales 2D, por lo que es tan resistente al agrietamiento que desafía una descripción teórica centenaria que los ingenieros todavía usan para medir la dureza.

“Lo que observamos en este material es notable”, dijo John Law de la Universidad Rice y coautor del libro. 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 conocido primo, el grafeno. Estructuralmente, el grafeno y el h-BN son casi idénticos. En cada uno, los átomos están dispuestos en una red plana de hexágonos interconectados. En el grafeno, todos los átomos son carbono y cada hexágono en h-BN contiene tres átomos de nitrógeno y tres átomos de boro.

Los enlaces carbono-carbono en el grafeno son los más fuertes de la naturaleza, lo que hace que el grafeno sea el más fuerte de todas las cosas. pero hay un problema. Si solo se pierden unos pocos átomos, el rendimiento del grafeno puede pasar de excepcional a mediocre. Lu dijo que en el mundo real, ningún material es impecable, razón por la cual la tenacidad a la fractura, o la resistencia al crecimiento de grietas, es tan importante en ingeniería: describe exactamente cuánto castigo puede soportar un material en el mundo real por falla.

“Medimos la resistencia a la fractura del grafeno hace siete años, y en realidad no es muy resistente a las fracturas”, dijo Lu. “Si tiene una grieta en la red, una pequeña carga romperá ese material”.

En resumen, el grafeno es frágil. El ingeniero británico AA Griffith publicó un estudio teórico fundamental de la mecánica de la fractura 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 Law de 2014 mostró que la resistencia a la fractura del grafeno puede explicarse por el estándar de Griffith probado por el tiempo. Debido a la similitud estructural de h-BN con el grafeno, también se esperaba que fuera frágil.

Este 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 desafía la descripción utilizando la fórmula de Griffith. Él detalló cómo actuó y por qué, tomando más de 1,000 horas de experimentos en el laboratorio Lou de Rice y un trabajo teórico igualmente minucioso dirigido por el autor correspondiente 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 fortalecimiento intrínseco en un material que supuestamente es bastante frágil”, dijo Gao. “Aparentemente, incluso Griffith no pudo predecir comportamientos de fractura radicalmente diferentes en dos materiales frágiles con estructuras atómicas similares”.

Lou, Gao y sus colegas rastrean los comportamientos físicos fuertemente diferentes a una ligera asimetría que resulta de que h-BN contenga dos elementos en lugar de uno.

“El boro y el nitrógeno no son lo mismo, así que aunque tienes esta forma hexagonal, no es lo mismo que el hexágono de carbono (en el grafeno) debido a esta disposición asimétrica”, dijo Lu.

Dijo que los detalles de la descripción teórica son complicados, pero el resultado es que las grietas en h-BN tienden a ramificarse y girar. En el grafeno, la punta de la hendidura viaja directamente a través del material, abriendo las uniones como una cremallera. Pero la asimetría de la red en h-BN crea una “ramificación” donde se pueden formar ramificaciones.

“Si la hendidura está ramificada, eso significa que está girando”, dijo Lu. “Si tiene esta grieta giratoria, le costará energía extra empujar la grieta aún más. Por lo tanto, ha fortalecido el material de manera efectiva al dificultar la propagación de la grieta”.

“La asimetría intrínseca de la retina le da a h-BN una tendencia perpetua a que una fractura en movimiento se desvíe del rumbo, como si un patinador hubiera perdido o su capacidad para mantener una postura equilibrada para avanzar en línea recta”, dijo Gao.

El nitruro de boro hexagonal ya es un material muy importante para la electrónica 2D y otras aplicaciones debido a su resistencia al calor, estabilidad química y propiedades dieléctricas, lo que le permite servir como base de soporte y capa aislante entre componentes electrónicos. Lou dijo que la sorprendente durabilidad de 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 campo especializado de la electrónica 2D basada en materiales es el dispositivo flexible”, dijo Lu.

Además de aplicaciones como los textiles electrónicos, dijo, la electrónica 2D es lo suficientemente delgada para aplicaciones más exóticas como los tatuajes electrónicos y los implantes que se pueden adherir directamente al cerebro.

“Para este tipo de configuración, debe asegurarse de que el material en sí sea mecánicamente fuerte cuando lo doble”, dijo Lu. “La resistencia de h-BN a la rotura es una gran noticia para la comunidad electrónica 2D, ya que puede utilizar este material como una capa protectora muy eficaz”.

Zhao dijo que los resultados también pueden apuntar a una nueva ruta para fabricar metamateriales mecánicos fuertes a través de la asimetría estructural geométrica.

“Bajo cargas pesadas, la fractura puede ser inevitable, pero sus efectos catastróficos pueden mitigarse mediante el diseño estructural”, dijo Gao.

Lu es profesor y presidente asociado de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química en Rice. Zhao es profesor universitario distinguido en las facultades de ingeniería y ciencias de la 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 de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur y anteriormente de Tsinghua y Brown.

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La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-SC0018193), y las simulaciones se ejecutaron con recursos proporcionados por el Ambiente de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia Extrema de la Fundación Nacional de Ciencias (MSS090046) en el Centro de Computación y Visualización de la Universidad de Brown.

Enlaces y recursos:

.’s DOI naturaleza Hoja: 10.1038 / s41586-021-03488-1

Una copia del documento está disponible en: https: //dui.Ciervo /10.1038 /s41586-021-03488-1

Las imágenes de alta resolución están disponibles para descargar desde:

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Leyenda: Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra grietas ramificadas en un cristal único de nitruro de boro hexagonal bidimensional (h-BN). Los experimentos y el modelado por computadora de la Universidad de Rice y la Universidad Tecnológica de Nanyang mostraron que la asimetría de la red h-BN permite que las grietas sigan rutas de ramificación, fortaleciendo efectivamente el material bidimensional al dificultar la propagación de las grietas. (Foto cortesía de J. Law / Rice University)

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Leyenda: Las simulaciones por computadora en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur ayudaron a explicar la inesperada tenacidad a la fractura del nitruro de boro hexagonal bidimensional. La tenacidad intrínseca del material surge de una ligera asimetría en su estructura atómica (izquierda), lo que da como resultado una tendencia constante a mover las grietas para seguir caminos ramificados (derecha). (Imagen cortesía de H. Gao / NTU)

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Leyenda: Los experimentos de los científicos de materiales de la Universidad de Rice, Jun Lou (izquierda) y Boyu Zhang, muestran que el nitruro de boro hexagonal en 2D es sorprendentemente resistente al agrietamiento. (Foto de Jeff Fitlow / Rice University)

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Pie de foto: John Law (Foto de Jeff Fitlow / Rice University)

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Pie de foto: Boyu Zhang (Foto de Jeff Fitlow / Rice University)

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Leyenda: Las simulaciones por computadora realizadas por los científicos de materiales de la Universidad Tecnológica de Nanyang Huajian Gao (izquierda) y Zhigong Song ayudaron a explicar la inesperada tenacidad a la fractura del nitruro de boro hexagonal bidimensional. (Imagen cortesía de H. Gao / NTU)

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Leyenda: Tanto en el grafeno como en el nitruro de boro hexagonal (h-BN), los átomos están dispuestos en una red plana de hexágonos interconectados. Todos los átomos del grafeno son carbono. Cada hexágono en h-BN contiene tres átomos de nitrógeno y tres de boro. (Foto cortesía de Rice University)

Esta versión se puede encontrar en línea en news.rice.edu.

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Ubicada en un campus arbolado de 300 acres en Houston, la Universidad Rice ha sido clasificada constantemente entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene facultades muy respetadas de arquitectura, negocios, estudios continuos, ingeniería, humanidades, música, ciencias naturales y ciencias sociales y es la sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 3.978 estudiantes universitarios y 3.192 estudiantes graduados, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es un poco menos de 6 a 1. El sistema de colegios residenciales construye comunidades unidas y amistades para toda la vida, y esa es solo una de las razones por las que Rice ocupa el primer lugar. , clase y calidad de vida clasificada como número uno por Princeton Review. Rice también está clasificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger Personal Finance.

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