É oficial:nitreto de boro hexagonal (h-BN) é o homem de ferro dos materiais 2D, tão resistente a rachaduras que desafia uma descrição teórica de um século que os engenheiros ainda usam para medir a tenacidade.

"O que observamos neste material é notável, "disse Jun Lou da Rice University, autor co-correspondente de um Natureza artigo publicado esta semana. "Ninguém esperava ver isso em materiais 2D. É por isso que é tão emocionante."

Lou explica a importância da descoberta comparando a resistência à fratura do h-BN com a de seu primo grafeno, mais conhecido. Estruturalmente, grafeno e h-BN são quase idênticos. Em cada, os átomos são organizados em uma rede plana de hexágonos interconectados. No grafeno, todos os átomos são de carbono, e em h-BN cada hexágono contém três átomos de nitrogênio e três átomos de boro.

As ligações carbono-carbono no grafeno são as mais fortes da natureza, o que deve tornar o grafeno o material mais resistente. Mas há um problema. Mesmo que alguns átomos estejam fora do lugar, o desempenho do grafeno pode ir de extraordinário a medíocre. E no mundo real, nenhum material está livre de defeitos, Lou disse, É por isso que a tenacidade à fratura - ou resistência ao crescimento de trincas - é tão importante na engenharia:ela descreve exatamente quanta punição um material do mundo real pode suportar antes de falhar.

"Medimos a resistência à fratura do grafeno há sete anos, e na verdade não é muito resistente a fraturas, "Lou disse." Se você tem uma rachadura na rede, uma pequena carga só vai quebrar esse material. "

Em um mundo, o grafeno é frágil. Engenheiro britânico A.A. Griffith publicou um estudo teórico seminal da mecânica da fratura em 1921, que descreveu a falha de materiais quebradiços. O trabalho de Griffith descreveu a relação entre o tamanho de uma rachadura em um material e a quantidade de força necessária para fazer a rachadura crescer.

O estudo de Lou de 2014 mostrou que a resistência à fratura do grafeno pode ser explicada pelo critério testado pelo tempo de Griffith. Dadas as semelhanças estruturais do h-BN com o grafeno, também se esperava que fosse quebradiço.

Esse não é o caso. A resistência à fratura do nitreto de boro hexagonal é cerca de 10 vezes maior do que a do grafeno, e o comportamento do h-BN nos testes de fratura foi tão inesperado que desafiou a descrição da fórmula de Griffith. Mostrando precisamente como se comportou e por que demorou mais de 1, 000 horas de experimentos no laboratório de Lou em Rice e um trabalho teórico igualmente meticuloso liderado pelo co-autor correspondente Huajian Gao na Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) em Cingapura.

"O que torna este trabalho tão emocionante é que ele revela um mecanismo de endurecimento intrínseco em um material supostamente perfeitamente frágil, "Disse Gao." Aparentemente, mesmo Griffith não poderia prever comportamentos de fratura tão drasticamente diferentes em dois materiais frágeis com estruturas atômicas semelhantes. "

Lou, Gao e seus colegas rastrearam os comportamentos totalmente diferentes dos materiais até ligeiras assimetrias que resultam do h-BN contendo dois elementos em vez de um.

"Boro e nitrogênio não são iguais, então, embora você tenha este hexágono, não é exatamente como o hexágono de carbono (no grafeno) por causa deste arranjo assimétrico, "Lou disse.

Ele disse que os detalhes da descrição teórica são complexos, mas o resultado é que as rachaduras no h-BN têm uma tendência a se ramificar e virar. No grafeno, a ponta da rachadura viaja direto pelo material, abrindo laços como um zíper. Mas a assimetria da rede em h-BN cria uma "bifurcação" onde os ramos podem se formar.

"Se a rachadura for ramificada, isso significa que está mudando, "Lou disse." Se você tem essa fenda de torneamento, basicamente, custa energia adicional para impulsionar a rachadura. Então, você efetivamente endureceu o seu material, tornando muito mais difícil a propagação da rachadura. "

Gao disse, "A assimetria intrínseca da rede confere ao h-BN uma tendência permanente para uma fenda em movimento ramificar seu caminho, como um esquiador que perdeu a capacidade de manter uma postura equilibrada para seguir em frente. "

O nitreto de boro hexagonal já é um material extremamente importante para a eletrônica 2D e outras aplicações devido à sua resistência ao calor, estabilidade química e propriedades dielétricas, que permitem que ele sirva tanto como base de suporte quanto como camada isolante entre os componentes eletrônicos. Lou disse que a surpreendente resistência do h-BN também pode torná-lo a opção ideal para adicionar resistência ao rasgo em eletrônicos flexíveis feitos de materiais 2D, que tendem a ser frágeis.

"A área de nicho para a eletrônica baseada em material 2D é o dispositivo flexível, "Lou disse.

Além de aplicações como têxteis eletrônicos, A eletrônica 2D é fina o suficiente para aplicações mais exóticas, como tatuagens eletrônicas e implantes que podem ser fixados diretamente no cérebro, ele disse.

"Para este tipo de configuração, você precisa garantir que o próprio material seja mecanicamente robusto ao dobrá-lo, "Lou disse." O fato de o h-BN ser tão resistente a fraturas é uma ótima notícia para a comunidade eletrônica 2D, porque pode usar este material como uma camada protetora muito eficaz. "

Gao disse que as descobertas também podem apontar para uma nova rota para fabricar metamateriais mecânicos resistentes por meio de assimetria estrutural projetada.

"Sob carga extrema, a fratura pode ser inevitável, mas seus efeitos catastróficos podem ser mitigados por meio do projeto estrutural, "Disse Gao.

Lou é professor e chefe do departamento associado em ciência dos materiais e nanoengenharia e professor de química na Rice. Gao é um distinto professor universitário nas escolas de engenharia e ciências da NTU.

Os co-autores afiliados ao Rice são Yingchao Yang, agora um professor assistente na Universidade do Maine, Chao Wang, agora no Instituto de Tecnologia de Harbin na China, e Boyu Zhang. Outros co-autores incluem Bo Ni da Brown University; Xiaoyan Li da Universidade de Tsinghua na China; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu e Xiaoming Xie, da Academia Chinesa de Ciências; e Zhigong Song da Agência para a Ciência, Tecnologia e Pesquisa em Cingapura e anteriormente de Tsinghua e Brown.