C'est officiel :le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est l'homme de fer des matériaux 2D, si résistant à la fissuration qu'il défie une description théorique centenaire que les ingénieurs utilisent encore pour mesurer la ténacité.

"Ce que nous avons observé dans ce matériau est remarquable, " a déclaré Jun Lou de l'Université Rice, auteur co-correspondant d'un La nature article publié cette semaine. "Personne ne s'attendait à voir cela dans des matériaux 2D. C'est pourquoi c'est si excitant."

Lou explique l'importance de la découverte en comparant la ténacité à la rupture du h-BN avec celle de son cousin plus connu, le graphène. Structurellement, le graphène et le h-BN sont presque identiques. Dans chaque, les atomes sont disposés dans un réseau plat d'hexagones interconnectés. Dans le graphène, tous les atomes sont du carbone, et dans le h-BN, chaque hexagone contient trois atomes d'azote et trois atomes de bore.

Les liaisons carbone-carbone du graphène sont les plus fortes de la nature, ce qui devrait faire du graphène la substance la plus difficile qui soit. Mais il y a un hic. Si même quelques atomes ne sont pas à leur place, les performances du graphène peuvent aller d'extraordinaires à médiocres. Et dans le monde réel, aucun matériau n'est exempt de défauts, Lou a dit, c'est pourquoi la ténacité à la rupture - ou la résistance à la croissance des fissures - est si importante en ingénierie :elle décrit exactement à quel point un matériau du monde réel peut supporter avant de tomber en panne.

« Nous avons mesuré la ténacité à la rupture du graphène il y a sept ans, et il n'est en fait pas très résistant à la fracture, " dit Lou. " Si vous avez une fissure dans le treillis, une petite charge ne fera que casser ce matériau."

En un mot, le graphène est cassant. L'ingénieur britannique A.A. Griffith a publié une étude théorique fondamentale sur la mécanique de la rupture en 1921 qui décrivait la défaillance des matériaux fragiles. Les travaux de Griffith ont décrit la relation entre la taille d'une fissure dans un matériau et la quantité de force requise pour faire croître la fissure.

L'étude de Lou en 2014 a montré que la résistance à la rupture du graphène pouvait s'expliquer par le critère éprouvé de Griffith. Étant donné les similitudes structurelles du h-BN avec le graphène, il était également prévu qu'il soit cassant.

Ce n'est pas le cas. La résistance à la rupture du nitrure de bore hexagonal est environ 10 fois supérieure à celle du graphène, et le comportement du h-BN dans les tests de rupture était si inattendu qu'il défiait toute description avec la formule de Griffith. Montrer précisément comment il s'est comporté et pourquoi a pris plus de 1, 000 heures d'expériences dans le laboratoire de Lou à Rice et un travail théorique tout aussi minutieux dirigé par le co-auteur Huajian Gao à l'Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour.

"Ce qui rend ce travail si passionnant, c'est qu'il dévoile un mécanisme de trempe intrinsèque dans un matériau supposé parfaitement cassant, " dit Gao. " Apparemment, même Griffith ne pouvait pas prévoir des comportements de fracture aussi radicalement différents dans deux matériaux fragiles avec des structures atomiques similaires. »

Lou, Gao et ses collègues ont retracé les comportements des matériaux extrêmement différents à de légères asymétries résultant du h-BN contenant deux éléments au lieu d'un.

"Le bore et l'azote ne sont pas les mêmes, donc même si vous avez cet hexagone, ce n'est pas exactement comme l'hexagone de carbone (dans le graphène) à cause de cet arrangement asymétrique, " dit Lou.

Il a dit que les détails de la description théorique sont complexes, mais le résultat est que les fissures dans le h-BN ont tendance à se ramifier et à tourner. Dans le graphène, la pointe de la fissure traverse directement le matériau, l'ouverture se lie comme une fermeture éclair. Mais l'asymétrie du réseau dans h-BN crée une "bifurcation" où des branches peuvent se former.

« Si la fissure est ramifiée, ça veut dire qu'il tourne, " dit Lou. " Si tu as cette fissure tournante, cela coûte essentiellement de l'énergie supplémentaire pour pousser la fissure plus loin. Vous avez donc efficacement durci votre matériau en rendant la propagation de la fissure beaucoup plus difficile."

Gao a dit, « L'asymétrie intrinsèque du réseau confère au h-BN une tendance permanente pour une fissure en mouvement à s'écarter de son chemin, comme un skieur qui a perdu sa capacité à maintenir une posture équilibrée pour avancer tout droit."

Le nitrure de bore hexagonal est déjà un matériau extrêmement important pour l'électronique 2D et d'autres applications en raison de sa résistance à la chaleur, stabilité chimique et propriétés diélectriques, qui lui permettent de servir à la fois de base de support et de couche isolante entre les composants électroniques. Lou a déclaré que la ténacité surprenante du h-BN pourrait également en faire l'option idéale pour ajouter une résistance à la déchirure aux composants électroniques flexibles fabriqués à partir de matériaux 2D, qui ont tendance à être cassants.

"Le créneau de l'électronique à base de matériaux 2D est l'appareil flexible, " dit Lou.

En plus des applications comme les textiles électroniques, L'électronique 2D est suffisamment fine pour des applications plus exotiques comme les tatouages ​​électroniques et les implants qui pourraient être attachés directement au cerveau, il a dit.

"Pour ce type de configuration, vous devez vous assurer que le matériau lui-même est mécaniquement robuste lorsque vous le pliez, " a déclaré Lou. " Que le h-BN soit si résistant aux fractures est une excellente nouvelle pour la communauté électronique 2D, car il peut utiliser ce matériau comme une couche protectrice très efficace."

Gao a déclaré que les résultats pourraient également indiquer une nouvelle voie pour fabriquer des métamatériaux mécaniques résistants grâce à une asymétrie structurelle conçue.

"Sous une charge extrême, la fracture peut être inévitable, mais ses effets catastrophiques peuvent être atténués par la conception structurelle, " dit Gao.

Lou est professeur et directeur de département associé en science des matériaux et nano-ingénierie et professeur de chimie à Rice. Gao est un professeur d'université distingué dans les écoles d'ingénierie et de sciences de la NTU.

Les co-auteurs affiliés à Rice sont Yingchao Yang, maintenant professeur assistant à l'Université du Maine, Chao Wang, maintenant à l'Institut de technologie de Harbin en Chine, et Boyu Zhang. Les autres co-auteurs incluent Bo Ni de l'Université Brown; Xiaoyan Li de l'Université Tsinghua en Chine; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu et Xiaoming Xie de l'Académie chinoise des sciences; et Zhigong Song de l'Agence pour la science, Technologie et recherche à Singapour et anciennement de Tsinghua et Brown.