Som de flesta material, ett elastiskt band blir tunnare när det sträcks ut. Men vissa material beter sig på motsatt sätt - de blir tjockare när de sträcks ut och tunnare när de komprimeras. Dessa kontraintuitiva ämnen, kända som auxetiska material, tenderar att ha hög motståndskraft mot skjuvning eller fraktur och används i applikationer som medicinska implantat och sensorer. Men vanligtvis, denna auxetiska effekt ses bara när materialet är förvrängt i en viss riktning.

Nu, Minglei Sun och Udo Schwingenschlögl har förutspått att en grupp kolbaserade material, formas till atomtunna ark, bör visa denna auxetic effekt i alla riktningar. Detta fenomen har aldrig tidigare observerats i något 2D anisotropt material, en växande familj av platta material som inkluderar flera potentiellt auxetiska material.

KAUST-forskarna beräknade flera nyckelegenskaper hos tre 2D-material som kallas kolsulfid, kolselenid och koltellurid, som förenar kol med element som kollektivt kallas kalkogener. Beräkningarna bygger på densitetsfunktionsteori, ett vanligt använt tillvägagångssätt baserat på kvantmekanik, och de beskriver egenskaper hos materialen såsom deras strukturella stabilitet, mekaniskt beteende och elektroniska egenskaper.

Alla auxetiska material har ett negativt Poisson-förhållande, en siffra som beskriver hur ett material deformeras när det sträcks eller komprimeras. Men forskarna fann att de tre materialen är unikt auxetiska eftersom de har ett rundstrålande negativt Poisson-förhållande. "Vi blev förvånade över att vi hittade en serie 2D anisotropa material med negativt Poissons förhållande i alla riktningar, säger Sun.

Sun och Schwingenschlögls beräkningar förutspår att alla tre materialen ska vara stabila vid rumstemperatur, vilket tyder på att det kan vara möjligt att syntetisera och isolera dem. De förklarar också materialens rundstrålande auxetiska effekt i termer av deras kristallstrukturer och kemiska bindning. Koltellurid visar den starkaste auxetiska effekten, som är större i alla riktningar än de högsta värdena som setts i de flesta andra 2D auxetiska material. Den har också den högsta brotttöjningen av de tre material som undersökts av KAUST-forskarna.

Enligt teamet, materialen bör vara halvledare som kan absorbera nära-infrarött eller synligt ljus. De tre kolkalkogeniderna "visar sig vara direkta eller kvasidirekta bandgap-halvledare med imponerande absorption av solstrålning, " säger Sun. Detta antyder att materialen kan vara användbara i fotovoltaiska enheter eller som ljusdrivna katalysatorer. "Vårt nästa steg är att förutsäga fler 2D auxetiska material med negativt Poissons förhållande i alla riktningar, säger Schwingenschlögl.