Механическая прочность и ударная вязкость инженерных материалов часто являются взаимоисключающими, что создаёт проблемы при проектировании и выборе материалов. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из Гонконгского политехнического университета (PolyU) разработала инновационную стратегию: просто скручивая слои 2D-материалов, можно повысить ударную вязкость без ущерба для прочности материала.
Прорыв в проектировании прочных и вязких 2D-материалов
Этот прорыв облегчает проектирование новых прочных и вязких 2D-материалов, способствуя их более широкому применению в фотонике и электронных устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Хотя 2D-материалы часто обладают исключительной прочностью, они чрезвычайно хрупкие. Их разрушение обычно необратимо. Эти свойства ограничивают использование 2D-материалов в устройствах, требующих повторной деформации, таких как мощные устройства, гибкая электроника и носимые устройства.
Попытки повысить ударную вязкость путём введения дефектов, таких как вакансии и границы зёрен, часто ухудшают внутренние электрические свойства, что приводит к компромиссу между механической прочностью и электронными характеристиками. Поэтому повышение как прочности, так и ударной вязкости объёмных материалов для инженерных применений остаётся сложной задачей.
Новый подход к проектированию
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа под руководством профессора Цзиона Чжао, профессора кафедры прикладной физики PolyU, разработала новый подход к проектированию, основанный на скручивании. Скрученные двухслойные структуры позволяют последовательно разрушаться, устраняя конфликт между прочностью и ударной вязкостью в 2D-материалах.
Типичные дихалькогениды переходных металлов (TMDs) представляют собой класс 2D-материалов, известных своими уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами. Эти характеристики позволяют использовать их в электронике и оптоэлектронике, хранении и преобразовании энергии, датчиках и биомедицинских устройствах, квантовых технологиях, механике и трибологии.
Используя просвечивающую электронную микроскопию in situ, команда обнаружила, что, когда трещины распространяются в скрученных двухслойных структурах, несоответствие ориентации решётки между верхним и нижним слоями приводит к образованию пересекающихся путей трещин.
После первоначального разрушения края трещин в обоих слоях спонтанно образуют стабильные структуры границ зёрен за счёт межслойной самосборки. Этот отличительный механизм «самозаживления трещин» защищает последующие вершины трещин от концентрации напряжений, эффективно предотвращая дальнейшее распространение трещин. Примечательно, что этот процесс потребляет больше энергии, чем обычное разрушение, а степень повышения ударной вязкости можно регулировать, регулируя угол скручивания.
Профессор Цзион Чжао сказал: «Преодолевая рамки традиционной теории механики разрушения, это исследование представляет первую демонстрацию автономного подавления повреждений в 2D-материалах, устанавливая новаторскую стратегию проектирования интегрированных новых прочных и вязких 2D-материалов. Это исследование также расширяет применение твитоники к проектированию механических характеристик, таких как прочность материала, открывая захватывающие возможности для разработки будущих электронных и фотонных устройств».
По мере совершенствования технологий изготовления скрученных 2D-материалов новое поколение интеллектуальных материалов, сочетающих превосходные механические свойства с экзотическими электрическими характеристиками, открывает большие перспективы для технологических инноваций в области гибкой электроники, преобразования энергии, квантовых технологий и сенсорики.
Предоставлено Гонконгским политехническим университетом.