Verzweigung im Bruch einer h-BN-Probe. (J. Lou/Rice University) Ein zweidimensionales Material mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie Graphen hat sich nun herausgestellt, dass es Graphen in puncto Zähigkeit in den Schatten stellt.
Das Material heißt hexagonales Bornitrid (h-BN) und ist so resistent gegen Risse, dass Wissenschaftler verblüfft sind. Der Befund steht im Widerspruch zur grundlegenden Beschreibung der Bruchmechanik, die Wissenschaftler seit den 1920er Jahren zur Vorhersage und Definition der Zähigkeit herangezogen haben.
„Was wir in diesem Material beobachtet haben, ist bemerkenswert“ sagte der Materialwissenschaftler Jun Lou von der Rice University . „Niemand hat damit gerechnet, so etwas in 2D-Materialien zu sehen.“ Deshalb ist es so spannend.“
Tatsächlich ist hexagonales Bornitrid Graphen sehr ähnlich. Die beiden Materialien bestehen beide aus hexagonalen Atomgittern. Im Fall von Graphen sind alle diese Atome Kohlenstoff; aber für h-BN enthält jedes Sechseck drei Boratome und drei Stickstoffatome.
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gehören zu den stärksten in der Natur, daher wird erwartet, dass Graphen viel stärker ist als h-BN. Im Großen und Ganzen stimmt das: Die beiden Materialien haben ähnliche Werte für Festigkeit und Elastizität, die h-BN's sind jedoch etwas niedriger. Graphen hat eine Festigkeit von etwa 130 Gigapascal für Festigkeit und 1,0 Terapascal für Elastizität; Die Werte von h-BN betragen 100 Gigapascal bzw. 0,8 Terapascal.
Allerdings weist Graphen auch eine geringe Rissbeständigkeit auf; mit anderen Worten, es ist bemerkenswert spröde.
„Wir haben die Bruchzähigkeit von Graphen vor sieben Jahren gemessen und es ist tatsächlich nicht sehr bruchsicher.“ Lou erklärte . „Wenn Sie einen Riss im Gitter haben, kann eine kleine Belastung das Material einfach zerbrechen.“
Da die anderen Eigenschaften von h-BN denen von Graphen sehr ähnlich sind, wurde angenommen, dass auch seine Sprödigkeit vergleichbar wäre – insbesondere, weil die Sprödigkeit von Graphen mit der Griffith-Bruchtheorie übereinstimmte. 1921 vom Ingenieur Alan Arnold Griffith angelegt . Er fand heraus, dass sich Risse ausbreiten, wenn die auf ein Material ausgeübte Spannung größer ist als die Kraft, die es zusammenhält; und der Energieunterschied wird bei der Ausbreitung des Risses freigesetzt.
Als ein Forscherteam dies jedoch testete, fanden sie etwas wirklich Seltsames: Die Bruchfestigkeit von h-BN ist zehnmal höher als die von Graphen. Das ist definitiv so nicht im Einklang mit der Griffith-Theorie.
Um herauszufinden, warum, setzte das Team Proben von h-BN einer Belastung aus und nutzte Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie, um bis ins kleinste Detail zu beobachten, wie die Risse entstehen. Und nach über 1.000 Stunden Experimentieren und der anschließenden Analyse haben sie es herausgefunden.
Elektronenmikroskopische Bilder zeigen feine Details von h-BN-Brüchen. (Yang et al., Nature, 2021)
Die beiden Materialien mögen ähnlich sein, aber sie sind nicht genau gleich. In Graphen tendiert ein Riss dazu, im Zickzack gerade durch die symmetrische sechseckige Struktur von oben nach unten zu verlaufen. h-BN weist aufgrund des Spannungskontrasts zwischen Bor und Stickstoff eine leichte Asymmetrie in seiner hexagonalen Struktur auf, was dazu führt, dass Risse dazu neigen, sich zu verzweigen.
Dadurch wird das Material deutlich widerstandsfähiger.
„Wenn der Riss verzweigt ist, bedeutet das, dass er sich dreht.“ Sagte Lou . „Wenn es diesen sich drehenden Riss gibt, kostet es grundsätzlich zusätzliche Energie, den Riss weiter voranzutreiben.“ Sie haben also Ihr Material effektiv gehärtet, indem Sie die Rissausbreitung deutlich erschwert haben.“
Dies hat Auswirkungen auf die Entwicklung flexibler 2D-Materialien für den Einsatz in Anwendungen wie der Elektronik. Und h-BN verfügt bereits über eine Vielzahl von Eigenschaften, die es zu einem hervorragenden Kandidaten für diese Anwendungen machen, darunter seine Hitzebeständigkeit und chemische Stabilität.
Es könnte daher eine neue Möglichkeit zur Entwicklung von Technologien wie elektronischen Textilien, aufklebbaren elektronischen Tätowierungen und sogar Implantaten bieten.
„Was diese Arbeit so spannend macht, ist, dass sie einen intrinsischen Verfestigungsmechanismus in einem vermeintlich vollkommen spröden Material enthüllt.“ sagte der Mechaniker Huajian Gao von der Nanyang Technological University in Singapur .
„Anscheinend konnte nicht einmal Griffith ein so drastisch unterschiedliches Bruchverhalten in zwei spröden Materialien mit ähnlichen Atomstrukturen vorhersehen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .