p (Phys.org) - Interessado em um ultrarrápido, inquebrável, e um smartphone flexível que recarrega em questão de segundos? Materiais de monocamada podem tornar isso possível. Essas folhas de átomos finos - incluindo o famoso supermaterial grafeno - apresentam propriedades mecânicas e eletrônicas excepcionais e inexploradas. Mas para explorar totalmente esses materiais maravilhosos atomicamente adaptados, os cientistas precisam descobrir os segredos de como e por que eles se dobram e se quebram sob estresse. p Felizmente, os pesquisadores já localizaram o mecanismo de quebra de vários materiais de monocamada centenas de vezes mais fortes do que o aço, com propriedades exóticas que podem revolucionar tudo, desde armaduras a eletrônicos. Uma equipe da Universidade de Columbia usou supercomputadores no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA para simular e sondar processos de mecânica quântica que seriam extremamente difíceis de explorar experimentalmente.

p Eles descobriram que o esforço dos materiais induziu uma nova transição de fase - uma reestruturação em suas estruturas cristalinas quase perfeitas que leva à instabilidade e falha. Surpreendentemente, o fenômeno persistiu em vários materiais diferentes com propriedades eletrônicas díspares, sugerindo que as monocamadas podem ter instabilidades intrínsecas a serem superadas ou exploradas. Os resultados foram publicados na revista Revisão Física B .

p "Nossos cálculos expuseram as mudanças fundamentais desses materiais de monocamada na estrutura e caráter quando estressados, "disse o co-autor do estudo e candidato a Ph.D. da Columbia University, Eric Isaacs." Ver os belos padrões exibidos por esses materiais em seus pontos de ruptura pela primeira vez foi extremamente empolgante - e importante para aplicações futuras. "

p A equipe examinou virtualmente esta transição de fase exótica no grafeno, nitreto de boro, dissulfeto de molibdênio, e graphane - todos materiais promissores de monocamada.

p Estilhaçamento Simulado

p Materiais de monocamada experimentam tensão em escalas atômicas, exigindo perícia investigativa diferente daquela da equipe média de demolição. Isaacs e seus colaboradores recorreram a uma estrutura matemática chamada teoria do funcional da densidade (DFT) para descrever os processos da mecânica quântica que se desdobram nos materiais.

p "O DFT nos permite estudar materiais diretamente das leis fundamentais da física, cujos resultados podem ser comparados diretamente aos dados experimentais, "disse Chris Marianetti, professor de ciência dos materiais na Universidade de Columbia e co-autor do estudo. “Fornecemos as constantes fundamentais e os núcleos do material, e usando DFT podemos aproximar as características reais do material sob diferentes condições. "

p Neste estudo, Cálculos DFT revelaram as estruturas atômicas dos materiais, valores de estresse, propriedades vibracionais, e se eles agiam como metais, semicondutores, ou isoladores sob tensão. Alternar ou sustentar essas propriedades condutoras é particularmente importante para futuras aplicações em microeletrônica.

p "Testar todas as configurações atômicas diferentes para cada material sob tensão se resume a uma quantidade enorme de computação, "Isaacs disse." Sem os recursos de supercomputação altamente paralelos e experiência em Brookhaven, teria sido quase impossível localizar essa transição em monocamadas tensas. "

p Half-Pipe Atômico Torcido

p Tudo se quebra sob estresse suficiente, claro, mas nem tudo se transforma significativamente ao longo do caminho. Um galho de carvalho dobrado, por exemplo, não entra em uma fase de transição estranha enquanto rasteja em direção ao seu ponto de ruptura - ele simplesmente se encaixa. Materiais de monocamada, acontece que, jogar por regras muito diferentes.

p Dentro das redes tipo favo de mel de monocamadas como o grafeno, nitreto de boro, e graphane, os átomos vibram rapidamente no lugar. Diferentes estados vibracionais, que ditam muitas das propriedades mecânicas do material, são chamados de "modos". À medida que as estruturas hexagonais perfeitas de tais monocamadas são tensionadas, eles entram em um "modo suave" sutil - os átomos vibrantes se libertam de suas configurações originais e se distorcem em direção a novas estruturas à medida que os materiais se quebram.

p "Imagine um skatista em um half-pipe, "Isaacs disse." Normalmente, o patinador desliza para frente e para trás, mas permanece centrado na parte inferior. Mas se torcermos e deformarmos esse half-pipe o suficiente, o skatista rola para fora e nunca mais retorna - é como esse modo suave em que os átomos vibrantes se afastam de suas posições na rede. "

p Quebrando Suavemente

p Os pesquisadores descobriram que este modo suave vibracional causou prolongamento, distorções instáveis ​​na maioria dos materiais de monocamada conhecidos. No caso do grafeno, nitreto de boro, e graphane, a espinha dorsal da rede cristalina perfeita distorcida em direção a anéis hexagonais isolados. A distorção do modo suave acabou quebrando o grafeno, nitreto de boro, e dissulfeto de molibdênio.

p À medida que as monocamadas foram tensionadas, o custo energético de alterar os comprimentos de ligação tornou-se significativamente mais fraco - em outras palavras, sob estresse suficiente, o modo suave emergente encoraja os átomos a se reorganizarem em configurações instáveis. Isso, por sua vez, determina como se pode controlar essa tensão e ajustar o desempenho da monocamada.

p "Nosso trabalho demonstra que o mecanismo de falha de modo suave não é exclusivo do grafeno e sugere que pode ser uma característica intrínseca de materiais de monocamada, "Isaacs disse.

p Renovações de monocamada

p Armado com este conhecimento, os pesquisadores agora podem descobrir como retardar o início das instabilidades recentemente caracterizadas e melhorar a resistência das monocamadas existentes. Além disso, os cientistas podem até mesmo ser capazes de projetar novos materiais ultra-fortes que antecipam e superam a fraqueza do modo suave.

p "Além da emoção da descoberta, este trabalho é imediatamente útil para uma grande comunidade de pesquisadores animados para aprender e explorar o grafeno e seus primos, "Isaacs disse." Por exemplo, temos trabalhado com experimentalistas de Columbia que usam uma técnica chamada 'nanoindentação' para medir experimentalmente parte do que simulamos. "

p Principais vantagens

• O grafeno e outros materiais de monocamada apresentam propriedades eletrônicas e mecânicas exóticas - atomicamente finos, ultra leve, e mais forte do que o aço. Mas como esses materiais promissores se transformam e falham sob tensão?
• O que os cientistas aprenderam? Eles identificaram os pontos de ruptura e os mecanismos de falha para esses supermateriais da espessura de um átomo. Quando estressado, as chamadas instabilidades de "modo suave" emergem que causam reconfigurações atômicas características - surpreendentemente, este comportamento persistiu em diferentes materiais de monocamada.
• Como eles fizeram isso? Usando as leis da mecânica quântica e supercomputadores, eles simularam a estrutura atômica e os modos vibracionais de materiais sob diferentes graus de coação. Os cientistas forçaram e forçaram esses materiais de monocamada a ponto de se quebrar - tudo virtualmente.
• Qual é o impacto? Tudo, desde microeletrônica a poderosos, a armadura leve pode ser desenvolvida com a compreensão de como os materiais de monocamada funcionam sob estresse.