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.

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."

Fonte: CIMM



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