Material 2D surpreende cientistas por ser mais resistente que o grafeno

O material é chamado de nitreto de boro hexagonal (h-BN) e é tão resistente a rachaduras que os cientistas ficam pasmos. A descoberta vai contra a descrição fundamental da mecânica da fratura que os cientistas têm usado para prever e definir a resistência desde 1920.

"O que observamos neste material é notável", disse o cientista de materiais Jun Lou, da Rice University. "Ninguém esperava ver isso em materiais 2D. É por isso que é tão emocionante."

O nitreto de boro hexagonal é extremamente semelhante ao grafeno. Os dois materiais consistem em redes hexagonais de átomos. No caso do grafeno, todos esses átomos são carbono; mas para h-BN, cada hexágono contém três átomos de boro e três átomos de nitrogênio.

As ligações carbono-carbono estão entre as mais fortes da natureza, portanto, espera-se que o grafeno seja muito mais forte do que o h-BN. Em geral, isso é verdade: os dois materiais têm valores semelhantes de resistência e elasticidade, mas os h-BNs são ligeiramente mais baixos. O grafeno tem uma resistência de cerca de 130 gigapascals para resistência e 1,0 terapascals para elasticidade; os valores de h-BN são 100 gigapascals e 0,8 terapascals, respectivamente.

No entanto, o grafeno também tem uma baixa resistência a rachaduras; em outras palavras, é extremamente frágil.

"Medimos a resistência à fratura do grafeno há sete anos e, na verdade, ele não é muito resistente à fratura", explicou Lou. "Se houver uma rachadura na rede, uma pequena carga quebrará esse material."

Pensou-se que, como as outras propriedades do h-BN são muito semelhantes às do grafeno, sua fragilidade também seria comparável - especialmente porque a fragilidade do grafeno era consistente com a teoria da fratura de Griffith, apresentada pelo engenheiro Alan Arnold Griffith, em 1921. Ele descobriu que as rachaduras se propagam quando a tensão colocada em um material é maior do que a força que o mantém unido; e a diferença de energia é liberada na propagação da trinca.


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Quando uma equipe de pesquisadores foi testar isso, no entanto, eles descobriram algo realmente estranho: a resistência à fratura do h-BN é 10 vezes maior do que a do grafeno. Isso definitivamente não é consistente com a teoria de Griffith.

Para descobrir o porquê, a equipe aplicou estresse em amostras de h-BN, usando microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão para observar nos menores detalhes possíveis como as rachaduras ocorrem. E, depois de mais de 1.000 horas de experimentação e análise de acompanhamento, eles descobriram.

Os dois materiais podem ser semelhantes, mas não são exatamente iguais. No grafeno, uma rachadura tende a ziguezaguear direto pela estrutura hexagonal simétrica, de cima para baixo. O h-BN possui uma ligeira assimetria em sua estrutura hexagonal, devido ao contraste de tensões entre o boro e o nitrogênio, o que significa que as fissuras tendem a se bifurcar.

É isso que torna o material muito mais resistente.

"Se a rachadura é ramificada, isso significa que está girando", disse Lou. "Se você tem essa trinca de giro, basicamente gasta energia adicional para impulsionar a trinca. Então, você efetivamente endureceu seu material tornando muito mais difícil a propagação da trinca."

Isso tem implicações para o desenvolvimento de materiais 2D flexíveis para uso em aplicações como a eletrônica. E o h-BN já possui uma série de propriedades que o tornam um excelente prospecto para essas aplicações, incluindo sua resistência ao calor e estabilidade química.

Isso poderia, portanto, fornecer uma nova maneira de desenvolver tecnologias como têxteis eletrônicos, tatuagens eletrônicas adesivas e até implantes.

"O que torna este trabalho tão emocionante é que ele revela um mecanismo de endurecimento intrínseco em um material supostamente perfeitamente frágil", disse o mecânico Huajian Gao, da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura.

"Aparentemente, mesmo Griffith não poderia prever comportamentos de fratura tão drasticamente diferentes em dois materiais frágeis com estruturas atômicas semelhantes."

A pesquisa foi publicada na Nature.




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