(Phys.org) —Intéressé par une solution ultra-rapide, incassable, et un smartphone flexible qui se recharge en quelques secondes ? Les matériaux monocouches peuvent le permettre. Ces feuilles ultrafines, y compris le célèbre super matériau graphène, présentent des propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles et inexploitées. Mais pour exploiter pleinement ces merveilleux matériaux atomiquement adaptés, les scientifiques doivent découvrir comment et pourquoi ils se plient et se cassent sous l'effet du stress.

Heureusement, les chercheurs ont maintenant identifié le mécanisme de rupture de plusieurs matériaux monocouches des centaines de fois plus résistants que l'acier avec des propriétés exotiques qui pourraient tout révolutionner, de l'armure à l'électronique. Une équipe de l'Université Columbia a utilisé des superordinateurs du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie pour simuler et sonder des processus de mécanique quantique qui seraient extrêmement difficiles à explorer expérimentalement.

Ils ont découvert que la déformation des matériaux induisait une nouvelle transition de phase - une restructuration de leurs structures cristallines presque parfaites qui conduit à l'instabilité et à la défaillance. Étonnamment, le phénomène a persisté à travers plusieurs matériaux différents avec des propriétés électroniques disparates, suggérant que les monocouches peuvent avoir des instabilités intrinsèques à surmonter ou à exploiter. Les résultats ont été publiés dans la revue Examen physique B .

"Nos calculs ont exposé les changements fondamentaux de structure et de caractère de ces matériaux monocouches lorsqu'ils sont soumis à des contraintes, " a déclaré Eric Isaacs, co-auteur de l'étude et candidat au doctorat de l'Université Columbia. " Voir pour la première fois les magnifiques motifs présentés par ces matériaux à leurs points de rupture était extrêmement excitant et important pour les applications futures. "

L'équipe a examiné virtuellement cette transition de phase exotique dans le graphène, Nitrure de bore, bisulfure de molybdène, et le graphane, tous des matériaux monocouches prometteurs.

Fracassement simulé

Les matériaux monocouches subissent des contraintes à l'échelle atomique, exigeant une expertise d'enquête différente de celle de l'équipe de démolition moyenne. Isaacs et ses collaborateurs se sont tournés vers un cadre mathématique appelé théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour décrire les processus de mécanique quantique se déroulant dans les matériaux.

"DFT nous permet d'étudier les matériaux directement à partir des lois fondamentales de la physique, dont les résultats peuvent être directement comparés aux données expérimentales, " a déclaré Chris Marianetti, professeur de science des matériaux à l'Université Columbia et co-auteur de l'étude. "Nous fournissons les constantes fondamentales et les noyaux du matériau, et en utilisant DFT, nous pouvons approcher de près les caractéristiques réelles du matériau dans différentes conditions."

Dans cette étude, Les calculs DFT ont révélé les structures atomiques des matériaux, valeurs de contrainte, propriétés vibratoires, et s'ils agissaient comme des métaux, semi-conducteurs, ou des isolants sous tension. Basculer entre ces propriétés conductrices ou les maintenir est particulièrement important pour les futures applications en microélectronique.

"Tester toutes les différentes configurations atomiques pour chaque matériau sous contrainte se résume à une énorme quantité de calculs, " a déclaré Isaacs. " Sans les ressources et l'expertise de supercalculateurs hautement parallèles de Brookhaven, il aurait été presque impossible de localiser cette transition dans des monocouches tendues."

Demi-tuyau atomique torsadé

Tout se brise sous assez de stress, bien sûr, mais tout ne se transforme pas de manière significative en cours de route. Une branche de chêne courbée, par exemple, n'entre pas dans une phase de transition étrange alors qu'il rampe vers son point de rupture - il s'enclenche simplement. Matériaux monocouches, il s'avère, jouer selon des règles très différentes.

Dans les réseaux en nid d'abeille de monocouches comme le graphène, Nitrure de bore, et graphane, les atomes vibrent rapidement sur place. Différents états vibratoires, qui dictent de nombreuses propriétés mécaniques du matériau, sont appelés "modes". Comme les structures hexagonales parfaites de ces monocouches sont tendues, ils entrent dans un "mode doux" subtil - les atomes vibrants se libèrent de leurs configurations d'origine et se déforment vers de nouvelles structures à mesure que les matériaux se brisent.

"Imaginez un skateur dans un half-pipe, " dit Isaacs. " Normalement, le patineur glisse d'avant en arrière mais reste centré sur le fond. Mais si nous tordons et déformons suffisamment ce half-pipe, le skateur se déroule et ne revient jamais - c'est comme ce mode doux où les atomes vibrants s'éloignent de leurs positions dans le réseau."

Briser doucement

Les chercheurs ont découvert que ce mode doux vibratoire provoquait une persistance, distorsions instables dans la plupart des matériaux monocouches connus. Dans le cas du graphène, Nitrure de bore, et graphane, l'épine dorsale du réseau cristallin parfait déformé vers des anneaux hexagonaux isolés. La distorsion en mode doux a fini par casser le graphène, Nitrure de bore, et le bisulfure de molybdène.

Comme les monocouches ont été tendues, le coût énergétique de la modification des longueurs de liaison est devenu considérablement plus faible - en d'autres termes, sous suffisamment de stress, le mode doux émergent encourage les atomes à se réarranger dans des configurations instables. Cela dicte à son tour comment contrôler cette contrainte et régler les performances de la monocouche.

"Notre travail démontre que le mécanisme de défaillance en mode doux n'est pas unique au graphène et suggère qu'il pourrait être une caractéristique intrinsèque des matériaux monocouches, " a déclaré Isaacs.

Rénovations monocouches

Armé de cette connaissance, les chercheurs peuvent maintenant être en mesure de comprendre comment retarder l'apparition des instabilités nouvellement caractérisées et améliorer la résistance des monocouches existantes. Au-delà de ça, les scientifiques pourraient même être en mesure de concevoir de nouveaux matériaux ultra-résistants qui anticipent et surmontent la faiblesse du mode doux.

« Au-delà du frisson de la découverte, ce travail est immédiatement utile à une large communauté de chercheurs enthousiastes à l'idée de connaître et d'exploiter le graphène et ses cousins, " dit Isaacs. " Par exemple, nous avons travaillé avec des expérimentateurs de Columbia qui utilisent une technique appelée « nanoindentation » pour mesurer expérimentalement une partie de ce que nous avons simulé. »

Points clés à retenir

• Le graphène et d'autres matériaux monocouches présentent des propriétés électroniques et mécaniques exotiques - atomiquement mince, ultra léger, et plus solide que l'acier. Mais comment ces matériaux prometteurs se transforment-ils et échouent-ils sous la contrainte ?
• Qu'ont appris les scientifiques ? Ils ont identifié les points de rupture et les mécanismes de défaillance de ces super-matériaux ultra-fins. Lorsqu'il est stressé, émergent des instabilités dites de "mode doux" qui provoquent des reconfigurations atomiques caractéristiques - étonnamment, ce comportement a persisté à travers différents matériaux monocouches.
• Comment ont-ils fait ? En utilisant les lois de la mécanique quantique et les supercalculateurs, ils ont simulé la structure atomique et les modes vibrationnels des matériaux sous différents degrés de contrainte. Les scientifiques ont mis à rude épreuve et stressé ces matériaux monocouches au point de se briser, le tout virtuellement.
• Quel est l'impact ? Tout, de la microélectronique à la puissante, les armures légères pourraient être améliorées en comprenant comment les matériaux monocouches se comportent sous contrainte.