Độ bền đáng chú ý của Boron Nitride lục giác được tiết lộ: Vật liệu 2D chống nứt và được mô tả bằng lý thuyết cơ học đứt gãy hàng thế kỷ

Trang Chủ > Ấn Bản > Độ bền vượt trội của boron nitride lục giác được bộc lộ: Vật liệu 2D chống nứt và mô tả bằng lý thuyết cơ học đứt gãy hàng thế kỷ

Mô phỏng tính toán tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore đã giúp giải thích độ bền đứt gãy bất ngờ của boron nitrit lục giác 2D. Độ dẻo dai nội tại của vật liệu phát sinh từ sự bất đối xứng nhỏ trong cấu trúc nguyên tử của nó (trái), tạo ra xu hướng vĩnh viễn khiến các vết nứt di chuyển theo các đường phân nhánh (phải). (Hình ảnh được cung cấp bởi H. Gao/NTU)

Tóm tắt:
Đây là thông tin chính thức: Boron nitride lục giác (h-BN) là người sắt của vật liệu 2D, có khả năng chống nứt tốt đến mức thách thức mô tả lý thuyết hàng thế kỷ mà các kỹ sư vẫn sử dụng để đo độ bền.

Độ bền đáng kể của boron nitride lục giác được tiết lộ: Vật liệu 2D chống nứt vỡ và được mô tả bằng lý thuyết cơ học đứt gãy hàng thế kỷ

Houston, TX | Đăng vào ngày 2 tháng 2021 năm XNUMX

Jun Lou, đồng tác giả của một bài báo trên tạp chí Nature xuất bản tuần này, cho biết: “Những gì chúng tôi quan sát được trong tài liệu này thật đáng chú ý”. “Không ai mong đợi sẽ thấy điều này trên vật liệu 2D. Đó là lý do tại sao nó rất thú vị.”

Lou giải thích ý nghĩa của phát hiện này bằng cách so sánh độ bền đứt gãy của h-BN với độ bền đứt gãy của người anh em họ graphene nổi tiếng hơn của nó. Về mặt cấu trúc, graphene và h-BN gần như giống hệt nhau. Trong mỗi cái, các nguyên tử được sắp xếp thành một mạng phẳng gồm các hình lục giác liên kết với nhau. Trong graphene, tất cả các nguyên tử đều là carbon và trong h-BN, mỗi hình lục giác chứa ba nguyên tử nitơ và ba nguyên tử boron.

Liên kết cacbon-cacbon trong graphene là liên kết mạnh nhất trong tự nhiên, điều này khiến graphene trở thành vật liệu cứng nhất xung quanh. Nhưng có một nhược điểm. Nếu thậm chí một vài nguyên tử bị lệch khỏi vị trí, hiệu suất của graphene có thể từ phi thường đến tầm thường. Và trong thế giới thực, không có vật liệu nào là không có khuyết tật, Lou nói, đó là lý do tại sao độ bền đứt gãy - hay khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt - lại rất quan trọng trong kỹ thuật: Nó mô tả chính xác mức độ mà một vật liệu trong thế giới thực có thể chịu được trước khi hỏng.

Lou cho biết: “Chúng tôi đã đo độ bền đứt gãy của graphene cách đây bảy năm và thực tế nó có khả năng chống đứt gãy không tốt lắm. “Nếu bạn có một vết nứt trên lưới, một tải trọng nhỏ sẽ làm vỡ vật liệu đó.”

Nói một cách dễ hiểu, graphene rất giòn. Kỹ sư người Anh AA Griffith đã công bố một nghiên cứu lý thuyết cơ bản về cơ học đứt gãy vào năm 1921 mô tả sự hư hỏng của vật liệu giòn. Công trình của Griffith đã mô tả mối quan hệ giữa kích thước vết nứt trong vật liệu và lượng lực cần thiết để làm cho vết nứt phát triển.

Nghiên cứu năm 2014 của Lou cho thấy độ bền đứt gãy của graphene có thể được giải thích bằng tiêu chí được thử nghiệm theo thời gian của Griffith. Với những điểm tương đồng về cấu trúc của h-BN với graphene, người ta cho rằng nó cũng dễ vỡ.

Đó không phải là trường hợp. Khả năng chống đứt gãy của boron nitrit lục giác cao hơn khoảng 10 lần so với graphene và hoạt động của h-BN trong các thử nghiệm đứt gãy bất ngờ đến mức nó thách thức mô tả bằng công thức Griffith. Hiển thị chính xác cách thức hoạt động và lý do tại sao phải mất hơn 1,000 giờ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Lou tại Rice và công trình lý thuyết khó nhọc không kém do đồng tác giả Huajian Gao tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) ở Singapore đứng đầu.

Gao cho biết: “Điều khiến nghiên cứu này trở nên thú vị là nó tiết lộ một cơ chế làm cứng nội tại trong một vật liệu được cho là hoàn toàn giòn”. “Rõ ràng, ngay cả Griffith cũng không thể lường trước được các hành vi đứt gãy khác nhau đáng kể như vậy ở hai vật liệu giòn có cấu trúc nguyên tử giống nhau”.

Lou, Gao và các đồng sự đã truy tìm những hành trạng cực kỳ khác nhau của vật chất đến những sự bất đối xứng nhỏ do h-BN chứa hai nguyên tố thay vì một nguyên tố.

Lou nói: “Boron và nitơ không giống nhau, vì vậy mặc dù bạn có hình lục giác này nhưng nó không hoàn toàn giống hình lục giác carbon (trong graphene) vì sự sắp xếp không đối xứng này”.

Ông cho biết các chi tiết mô tả lý thuyết rất phức tạp, nhưng kết quả cuối cùng là các vết nứt trong h-BN có xu hướng phân nhánh và xoay. Ở graphene, đầu vết nứt di chuyển thẳng qua vật liệu, mở các liên kết giống như một chiếc dây kéo. Nhưng sự bất đối xứng mạng trong h-BN tạo ra một “sự phân nhánh” nơi các nhánh có thể hình thành.

Lou nói: “Nếu vết nứt phân nhánh, điều đó có nghĩa là nó đang chuyển động. “Nếu bạn có vết nứt chuyển hướng này, về cơ bản, bạn sẽ tốn thêm năng lượng để đẩy vết nứt đi xa hơn. Vậy là bạn đã làm cứng vật liệu của mình một cách hiệu quả bằng cách làm cho vết nứt khó lan truyền hơn nhiều.”

Gao cho biết: “Sự bất đối xứng của mạng nội tại khiến cho h-BN có xu hướng vĩnh viễn khiến vết nứt chuyển động tách ra khỏi đường đi của nó, giống như một vận động viên trượt tuyết đã mất khả năng duy trì tư thế cân bằng để di chuyển thẳng về phía trước”.

Boron nitride lục giác đã là một vật liệu cực kỳ quan trọng đối với thiết bị điện tử 2D và các ứng dụng khác vì khả năng chịu nhiệt, ổn định hóa học và tính chất điện môi, cho phép nó đóng vai trò vừa là đế đỡ vừa là lớp cách điện giữa các linh kiện điện tử. Lou cho biết độ bền đáng kinh ngạc của h-BN cũng có thể khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để tăng khả năng chống rách cho các thiết bị điện tử dẻo làm từ vật liệu 2D, vốn có xu hướng giòn.

Lou cho biết: “Lĩnh vực thích hợp cho thiết bị điện tử dựa trên vật liệu 2D là thiết bị linh hoạt.

Ngoài các ứng dụng như dệt may điện tử, thiết bị điện tử 2D còn đủ mỏng cho các ứng dụng kỳ lạ hơn như hình xăm điện tử và cấy ghép có thể gắn trực tiếp vào não, ông nói.

Lou cho biết: “Đối với loại cấu hình này, bạn cần đảm bảo rằng vật liệu có độ bền cơ học khi bạn uốn cong nó”. “Việc h-BN có khả năng chống đứt gãy là một tin tuyệt vời cho cộng đồng điện tử 2D, bởi vì nó có thể sử dụng vật liệu này như một lớp bảo vệ rất hiệu quả.”

Gao cho biết những phát hiện này cũng có thể chỉ ra một lộ trình mới để chế tạo các siêu vật liệu cơ học bền bỉ thông qua sự bất đối xứng về cấu trúc được thiết kế.

Gao cho biết: “Dưới tải trọng cực lớn, nứt gãy có thể là điều không thể tránh khỏi, nhưng những tác động thảm khốc của nó có thể được giảm thiểu thông qua thiết kế kết cấu”.

Lou là giáo sư và phó trưởng khoa về khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, đồng thời là giáo sư hóa học tại Rice. Gao là giáo sư đại học nổi tiếng ở các trường kỹ thuật và khoa học tại NTU.

Các đồng tác giả liên kết với Rice là Yingchao Yang, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Maine, Chao Wang, hiện tại Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân ở Trung Quốc, và Boyu Zhang. Các đồng tác giả khác bao gồm Bo Ni của Đại học Brown; Xiaoyan Li của Đại học Thanh Hoa ở Trung Quốc; Guanyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu và Xiaoming Xie thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc; và Zhigong Song thuộc Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu ở Singapore và trước đây là của Tsinghua và Brown.

Nghiên cứu được Bộ Năng lượng (DE-SC0018193) hỗ trợ và các mô phỏng được thực hiện trên các tài nguyên được cung cấp bởi Môi trường Khám phá Khoa học và Kỹ thuật Cực đoan của Quỹ Khoa học Quốc gia (MSS090046) tại Trung tâm Tính toán và Trực quan hóa của Đại học Brown.

####

Giới thiệu về trường đại học Rice
Tọa lạc trên một khuôn viên rộng 300 mẫu Anh trong rừng ở Houston, Đại học Rice liên tục được xếp hạng trong số 20 trường đại học hàng đầu của quốc gia bởi US News & World Report. Rice có các trường được đánh giá cao về Kiến trúc, Kinh doanh, Nghiên cứu liên tục, Kỹ thuật, Nhân văn, Âm nhạc, Khoa học Tự nhiên và Khoa học Xã hội và là nơi đặt trụ sở của Viện Chính sách Công Baker. Với 3,978 sinh viên đại học và 3,192 sinh viên sau đại học, tỷ lệ sinh viên đại học trên giảng viên của Rice chỉ dưới 6 trên 1. Hệ thống trường cao đẳng nội trú của nó xây dựng các cộng đồng gắn bó và tình bạn trọn đời, đây chỉ là một lý do tại sao Rice được xếp hạng số 1 về nhiều tương tác chủng tộc / giai cấp và số 1 về chất lượng cuộc sống theo Princeton Review. Rice cũng được Kiplinger's Personal Finance đánh giá là có giá trị tốt nhất trong số các trường đại học tư thục.

Theo dõi Rice News và Quan hệ truyền thông qua Twitter @RiceUNews.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Ngọc trai
713-348-6778

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: