(Phys.org) —Intresserad av en ultrasnabb, okrossbar, och smidig smart telefon som laddas på några sekunder? Enskiktsmaterial kan göra det möjligt. Dessa atomtunna ark – inklusive det berömda supermaterialet grafen – har exceptionella och outnyttjade mekaniska och elektroniska egenskaper. Men för att fullt ut utnyttja dessa atomärt skräddarsydda undermaterial, forskare måste bända fram hemligheterna om hur och varför de böjer sig och går sönder under stress.

Lyckligtvis, Forskare har nu identifierat brytmekanismen hos flera enskiktsmaterial hundratals gånger starkare än stål med exotiska egenskaper som kan revolutionera allt från pansar till elektronik. Ett team från Columbia University använde superdatorer vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory för att simulera och undersöka kvantmekaniska processer som skulle vara extremt svåra att utforska experimentellt.

De upptäckte att ansträngning av materialen inducerade en ny fasövergång - en omstrukturering i deras nästan perfekta kristallina strukturer som leder till instabilitet och misslyckande. Förvånande, fenomenet kvarstod i flera olika material med olika elektroniska egenskaper, vilket tyder på att monolager kan ha inneboende instabiliteter som antingen kan övervinnas eller utnyttjas. Resultaten publicerades i tidskriften Fysisk granskning B .

"Våra beräkningar avslöjade dessa enskiktiga materials grundläggande förändringar i struktur och karaktär när de blev stressade, " sa studiemedförfattaren och Columbia University Ph.D.-kandidat Eric Isaacs. "Att se de vackra mönstren som dessa material uppvisar vid deras bristningspunkter för första gången var enormt spännande – och viktigt för framtida tillämpningar."

Teamet undersökte praktiskt taget denna exotiska fasövergång i grafen, bornitrid, molybdendisulfid, och grafan – alla lovande enskiktsmaterial.

Simulerad splittring

Enskiktsmaterial upplever påfrestningar på atomär skala, kräver annan utredningsexpertis än den genomsnittliga rivningsbesättningen. Isaacs och hans medarbetare vände sig till ett matematiskt ramverk som kallas densitetsfunktionsteori (DFT) för att beskriva de kvantmekaniska processer som utspelar sig i materialen.

"DFT låter oss studera material direkt från fysikens grundläggande lagar, vars resultat kan jämföras direkt med experimentella data, sa Chris Marianetti, professor i materialvetenskap vid Columbia University och medförfattare till studien. "Vi levererar de grundläggande konstanterna och materialets kärnor, och med DFT kan vi nära approximera materialets verkliga egenskaper under olika förhållanden."

I den här studien, DFT-beräkningar avslöjade materialens atomära strukturer, stressvärden, vibrationsegenskaper, och om de fungerade som metaller, halvledare, eller isolatorer under belastning. Att växla mellan eller bibehålla dessa ledande egenskaper är särskilt viktigt för framtida tillämpningar inom mikroelektronik.

"Att testa alla olika atomkonfigurationer för varje material under påfrestning kokar ner till en enorm mängd beräkningar, " Sa Isaacs. "Utan de mycket parallella superdatorresurserna och expertis vid Brookhaven, det skulle ha varit nästan omöjligt att fastställa denna övergång i ansträngda monolager."

Twisted Atomic Half-Pipe

Allt går sönder under tillräckligt mycket stress, självklart, men allt förändras inte på ett meningsfullt sätt på vägen. En böjd ekgren, till exempel, går inte in i en konstig övergångsfas när den kryper mot sin bristningspunkt – den knäpper helt enkelt. Enskiktsmaterial, det visar sig, spela efter väldigt olika regler.

Inom de bikakeliknande gittren av monolager som grafen, bornitrid, och grafan, atomerna vibrerar snabbt på plats. Olika vibrationstillstånd, som dikterar många av materialets mekaniska egenskaper, kallas "lägen". Eftersom de perfekta hexagonala strukturerna hos sådana monoskikt är ansträngda, de går in i ett subtilt "mjukt läge" – de vibrerande atomerna glider fria från sina ursprungliga konfigurationer och förvrängs mot nya strukturer när materialen går sönder.

"Föreställ dig en skateboardåkare i en halfpipe, " Sa Isaacs. "Normalt, skridskoåkaren glider fram och tillbaka men förblir centrerad över botten. Men om vi vrider och deformerar det där halvröret tillräckligt, skateboardåkaren rullar ut och kommer aldrig tillbaka - det är som det här mjuka läget där de vibrerande atomerna rör sig bort från sina positioner i gittret."

Mjukt brytande

Forskarna fann att detta mjuka vibrationsläge orsakade kvardröjning, instabila förvrängningar i de flesta av de kända monolagermaterialen. När det gäller grafen, bornitrid, och grafan, ryggraden i det perfekta kristallina gittret förvrängd mot isolerade hexagonala ringar. Förvrängningen av mjukt läge slutade med att grafen bröts, bornitrid, och molybdendisulfid.

När monoskikten ansträngdes, den energiska kostnaden för att ändra bindningslängderna blev betydligt svagare – med andra ord, under tillräckligt stress, det framväxande mjuka läget uppmuntrar atomerna att ordna om sig själva till instabila konfigurationer. Detta i sin tur dikterar hur man kan kontrollera att anstränga och justera monolagerprestanda.

"Vårt arbete visar att mekanismen för felfunktion i mjukt läge inte är unik för grafen och antyder att det kan vara en inneboende egenskap hos monolagermaterial, sa Isaacs.

Enskiktsrenoveringar

Beväpnad med denna kunskap, forskare kanske nu kan ta reda på hur man kan fördröja uppkomsten av de nyligen karakteriserade instabiliteterna och förbättra styrkan hos befintliga monolager. Bortom det, forskare kanske till och med kan konstruera nya ultrastarka material som förutser och övervinner svagheten i mjukläget.

"Bortom spänningen med upptäckten, detta arbete är omedelbart användbart för en stor grupp forskare som är glada över att lära sig om och utnyttja grafen och dess kusiner, " Sa Isaacs. "Till exempel, vi har arbetat med Columbia-experimentalister som använder en teknik som kallas "nanoindentation" för att experimentellt mäta en del av det vi simulerade."

Viktiga takeaways

• Grafen och andra enskiktiga material har exotiska elektroniska och mekaniska egenskaper - atomärt tunna, ultra lätt, och starkare än stål. Men hur förvandlas dessa lovande material och misslyckas under påfrestningar?
• Vad lärde sig forskarna? De pekade ut brytpunkter och felmekanismer för dessa atomtunna supermaterial. När man är stressad, så kallade "mjukt läge"-instabiliteter uppstår som orsakar karakteristiska atomära omkonfigurationer - överraskande nog, detta beteende kvarstod över olika enskiktsmaterial.
• Hur gjorde de det? Genom att använda kvantmekaniska lagar och superdatorer, de simulerade materialens atomära struktur och vibrationssätt under olika grader av tvång. Forskare ansträngde och stressade dessa monolagermaterial till den grad att de gick sönder - allt praktiskt taget.
• Vad är effekten? Allt från mikroelektronik till kraftfull, lättviktsrustning kan utvecklas genom att förstå hur monolagermaterial fungerar under stress.