Heksagonalny azotek boru to materiał przyszłości

Heksagonalny azotek boru, czyli „jeszcze lepszy grafen”

Naukowcy stworzyli dwuwymiarowy materiał o właściwościach fizycznych podobnych do grafenu, ale znacznie wytrzymalszy. Mowa o heksagonalnym azotku boru.

Heksagonalny azotek boru (h-BN) jest wyjątkowo odporny na pękanie. Jest to wręcz sprzeczne z mechaniką pękania, którą naukowcy wykorzystują do definiowania wytrzymałości materiałów od lat 20. ubiegłego wieku.

To, co zaobserwowaliśmy w tym materiale jest niezwykłe. Nikt nie spodziewał się, że będzie to możliwe w materiałach 2D. Dlatego właśnie jest to tak ekscytujące.

Jun Lou z Uniwersytetu Rice

Lepszy od grafenu

Heksagonalny (sześciokątny) azotek boru jest w rzeczywistości niezwykle podobny do grafenu. Oba materiały składają się z sieci atomów przypominających plaster miodu. W przypadku grafenu, wszystkie te atomy to węgiel; natomiast w przypadku h-BN, każdy sześciokąt zawiera trzy atomy boru i trzy atomy azotu.

Wiązania węgiel-węgiel są jednymi z najsilniejszych w przyrodzie, dzięki czemu grafen jest tak wyjątkowy. Oba materiały mają podobne wartości wytrzymałości i elastyczności – grafen około 130 GPa (gigapaskali) wytrzymałości i 1,0 TPa sprężystości, podczas gdy wartości h-BN wynoszą odpowiednio 100 GPa i 0,8 TPa.

Grafen ma jednak niską odporność na pęknięcia – innymi słowy: jest niezwykle kruchy.

Zmierzyliśmy wytrzymałość grafenu na pękanie 7 lat temu i w rzeczywistości nie jest on bardzo odporny na pękanie. Jeśli pojawi się pęknięcie w siatce, mały ładunek po prostu złamie ten materiał.

Jun Lou z Uniwersytetu Rice

Sądzono, że ponieważ inne właściwości h-BN są bardzo podobne do właściwości grafenu, jego kruchość również będzie porównywalna – zwłaszcza, że kruchość grafenu była zgodna z teorią pęknięć Griffitha, opracowaną przez Alana Arnolda Griffitha w 1921 r. Odkrył on, że pęknięcia rozprzestrzeniają się, gdy naprężenie materiału jest większe niż siła trzymająca go razem; a różnica w energii jest uwalniana podczas rozprzestrzeniania się pęknięcia.

Materiał przyszłości

Badania wykazały, że odporność h-BN na pęknięcia jest 10 razy większa niż odporność grafenu. Nie jest to zgodne z teorią Griffitha.

Aby dowiedzieć się dlaczego, zespół zastosował naprężenia w próbkach h-BN, używając skaningowej mikroskopii elektronowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, aby zaobserwować w najdrobniejszych szczegółach, jak powstają pęknięcia. Po ponad 1000 godzinach eksperymentów i dalszych analiz, udało się to ustalić.

Mikroskopia elektronowa ujawnia sposób powstawania pęknięć w hBN

Okazało się, że grafen i heksagonalny azotek boru różnią się pod wieloma względami. W grafenie pęknięcie ma tendencję do przemieszczania się w prostej linii przez symetryczną strukturę heksagonalną, od góry do dołu. Azotek boru ma lekką asymetrię w swojej strukturze heksagonalnej, ze względu na kontrast w naprężeniach pomiędzy borem i azotem, co oznacza, że pęknięcia mają tendencję do rozgałęzień. To sprawia, że materiał ten jest znacznie odporniejszy na mechaniczne uszkodzenia.

Ma to implikacje dla rozwoju elastycznych materiałów 2D do wykorzystania w zastosowaniach takich jak elektronika. Jego odporność na ciepło i stabilność chemiczną są wyjątkowe, co może stanowić nowy sposób rozwoju technologii, takich jak elektroniczne tekstylia, przyklejane elektroniczne tatuaże, a nawet implanty.