Des smartphones qui se plient aux panneaux solaires qui s'enroulent autour des maisons, l'électronique flexible pourrait rendre les consommateurs très heureux. Mais d'abord, quelqu'un doit trouver comment les faire. Une question importante est de savoir quels matériaux sont suffisamment résistants pour conserver leurs propriétés électroniques dans des conditions aussi difficiles ?

La réponse pourrait se trouver dans les matériaux 2D, matériaux émergents qui sont des couches simples d'atomes. Les matériaux 2-D ont des propriétés électroniques uniques, et ils devraient être utiles dans les futurs appareils électroniques, nanocomposites, Équipement médical, photovoltaïque, thermoélectrique et plus. Cependant, Les matériaux 2D sont cassants, qui a le potentiel de limiter leur utilisation.

A l'Université du Delaware, M. Zubaer Hossain étudie les moyens de contrôler la ténacité et la résistance des matériaux 2D et de comprendre comment ils se comportent dans des conditions de chargement, comme être étiré, chuté, ou courbé. Dans un article récemment publié dans le Journal de physique appliquée , Hossain, professeur assistant en génie mécanique, décrit de nouvelles connaissances sur la résistance et la ténacité du matériau 2-D nitrure de bore hexagonal, dont l'utilisation est à l'étude en partie parce que c'est un très bon isolant.

"Nous voulions comprendre la résistance et la ténacité de ce matériau cassant et essayer de comprendre le comportement, force et ténacité dans différentes directions, " a-t-il dit. " Et ce que nous trouvons dans ce travail, c'est qu'ils dépendent beaucoup du sens de chargement. "

Imaginez que vous tenez une feuille de papier face cachée devant vous. Si vous tirez les côtés droit et gauche tout droit, le papier ne se pliera pas, dit Hossain. Cependant, si vous tirez ces bords vers le bas, le papier se pliera. « Ce même morceau de papier a des propriétés mécaniques différentes selon le sens dans lequel vous le chargez, et la même idée peut être appliquée aux matériaux 2-D, " dit-il. Lorsque les propriétés dépendent de la direction de la charge, le matériau est anisotrope.

Hossain a cherché à déterminer si le nitrure de bore hexagonal est anisotrope en ce qui concerne la résistance et la ténacité, et a trouvé que c'est. Il souhaitait également comprendre comment l'anisotropie de ce matériau affecte ses propriétés électroniques. Si les propriétés électroniques changent, le résultat pourrait poser problème, ou dans certains cas, une opportunité - une toute nouvelle fonctionnalité que les chercheurs peuvent utiliser. Dans les deux cas, les scientifiques doivent comprendre ce qui se passe afin de maximiser l'utilisation du matériau.

Hossain a également examiné le matériau jusqu'au point de contrainte maximale pour déterminer si la direction du chargement affecte la rupture.

"Ce travail montre que la résistance ou le chargement auquel un matériau commence à se rompre dépend fortement de la direction du chargement, ", a-t-il déclaré. Ils ont également déterminé où le matériau commencerait à se fissurer et comment déterminer le chemin de la fissure. Le chemin est prédit par la direction de chargement, tout comme les autres propriétés.

Hossain a examiné le matériau à l'échelle atomique - après tout, chaque matériau n'est qu'une collection d'atomes liés par des interactions électroniques.

« Il y a une base atomistique derrière cette réponse différentielle, " dit-il. " L'arrangement des atomes est différent dans différentes directions. "

Les liaisons entre les atomes changent et se chevauchent, et les électrons se redistribuent. Cette redistribution des électrons dépend de la direction du chargement.

L'activité atomique permet également d'expliquer ce qui se passe lorsque le matériau se fissure. Lorsque la fissure commence par rompre une liaison à l'échelle atomique, l'événement peut ne pas être détectable à partir de mesures macroscopiques, en raison du temps impliqué dans la propagation du signal de contrainte. Un lien rompu peut s'auto-cicatriser tant que le stress menant au processus de rupture du lien cesse d'augmenter son intensité.

"Les défauts peuvent s'auto-réparer si le chargement est juste, mais si vous dépassez ce point critique, il n'est peut-être plus récupérable, " il a dit.

L'expertise d'Hossain en génie mécanique lui permet d'aborder cette recherche de façon unique.

« Habituellement, les propriétés et les mécanismes des matériaux à l'échelle quantique sont étudiés par des physiciens ou des scientifiques des matériaux, principalement dans des conditions d'équilibre ou non déformées qui sont loin de la condition mécanique où les processus de fracture commencent à se nucléer ou à se propager, " dit-il. " Notre recherche est interdisciplinaire. Nous regardons la force et la ténacité, qui sont des matières traditionnelles de l'ingénierie mécanique, mais nous essayons de comprendre la force et la ténacité du point de vue de la mécanique quantique, ce qui n'est généralement pas le cas pour les ingénieurs mécaniciens. Nous essayons de construire et d'appliquer des analyses et des outils basés sur la physique pour révéler des mécanismes à l'échelle nanométrique et pour identifier leur rôle sur le comportement mécanique que nous observons à des échelles plus longues."

Ce sont des compétences de plus en plus importantes à mesure que les appareils deviennent de plus en plus rapides et sophistiqués et que les consommateurs exigent des produits plus polyvalents.

"De nos jours, nous devons être capables de concevoir le comportement au niveau électronique, " il a dit.