Los enlaces carbono-carbono del grafeno son los más fuertes de la naturaleza, lo que debería convertirlo en el material más duro que existe. Pero hay un problema. Si incluso unos pocos átomos son anormales, el rendimiento del grafeno puede pasar de extraordinario a mediocre. Lou señala que en el mundo real, ningún material está libre de defectos, razón por la cual la tenacidad a la fractura, o la resistencia al crecimiento de grietas, es tan importante en ingeniería.
"Medimos la resistencia a la fractura del grafeno hace siete años y, en realidad, no es muy resistente a la fractura", dijo Lou. "Si hay grietas en la red cristalina, una pequeña carga destruirá el material."
En resumen, el grafeno es muy frágil. El ingeniero británico A.A. Griffith publicó un estudio teórico pionero sobre la mecánica de la fractura en 1921, describiendo la falla de materiales frágiles. El trabajo de Griffith describió la relación entre el tamaño de una grieta en un material y la fuerza necesaria para hacer que la grieta crezca.
Una investigación realizada por Lou en 2014 demostró que la resistencia a la fractura del grafeno puede explicarse mediante el criterio de prueba de tiempo de Griffith. Teniendo en cuenta que el nitruro de hidrógeno tiene una estructura similar a la del grafeno, se espera que sea relativamente frágil.
Pero este no es el caso. El nitruro de boro hexagonal es aproximadamente 10 veces más resistente a la fractura que el grafeno. Porque el comportamiento del material en los ensayos de fractura es tan inesperado que no puede describirse mediante la fórmula de Griffith.
"Lo que hace que este trabajo sea tan emocionante es que revela los mecanismos de endurecimiento intrínsecos de materiales perfectamente frágiles", afirmó Huajian Gao, coautor del estudio de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. "Obviamente, ni siquiera Griffiths podría haber previsto que el comportamiento de fractura de dos materiales frágiles con estructuras atómicas similares sería tan completamente diferente." Lou, Gao y sus colegas siguieron el comportamiento de los diferentes materiales, se encontró una ligera asimetría porque h- BN contiene dos elementos en lugar de uno. "El boro y el nitrógeno son diferentes, por lo que incluso si tienes este hexágono, no es exactamente como un hexágono de carbono debido a esta disposición asimétrica", dijo Lou.
Además, también señaló 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 grieta atraviesa el material. Sin embargo, la asimetría de la red de h-BN crea "bifurcaciones" que pueden formar ramas.
"Si una grieta se divide, eso significa que está girando. Si tiene esta grieta giratoria, básicamente está gastando energía adicional para impulsar la grieta más lejos. Entonces, al dificultar la propagación de la grieta, el material se divide. endurecido efectivamente", afirmó Lou.
Gao señaló: "La asimetría inherente de la red le da a h-BN una tendencia permanente a que las grietas en movimiento se desvíen de su camino, como un esquiador que pierde el equilibrio y la línea recta. La capacidad de moverse". /p>
El nitruro de boro hexagonal se ha convertido en un material extremadamente importante en la electrónica 2D y otras aplicaciones debido a su resistencia térmica, estabilidad química y propiedades dieléctricas, lo que lo convierte no solo en un soporte, sino también en una base y una capa aislante entre componentes electrónicos. Lou señaló que la sorprendente dureza del h-BN también lo hace ideal para la resistencia al desgarro en componentes electrónicos flexibles fabricados con materiales 2D, que a menudo son muy frágiles.
“Un área de nicho para la electrónica basada en 2D son los dispositivos flexibles”, afirmó Lou.
Además de aplicaciones como los textiles electrónicos, la electrónica 2D es lo suficientemente delgada como para usarse en aplicaciones más exóticas, como tatuajes electrónicos e implantes que pueden conectarse directamente al cerebro, dijo.
“Para este tipo de configuración, es necesario garantizar la resistencia mecánica del propio material al doblarlo”, señala Lou. "Las propiedades antifracturas del h-BN son buenas noticias para el campo de la electrónica 2D, ya que permiten que el material se utilice como una capa protectora muy eficaz". Gao dijo que los hallazgos también pueden apuntar a una nueva forma de crear. metamateriales mecánicos resistentes a través de estructuras diseñadas asimétricamente.
"Bajo cargas extremas, la fractura puede ser inevitable, pero sus efectos catastróficos pueden mitigarse mediante el diseño estructural", afirmó Lou.