En keramik som blir mer elektriskt ledande under elastisk belastning och mindre ledande under plastisk belastning kan leda till en ny generation av sensorer inbäddade i strukturer som byggnader, broar och flygplan som kan övervaka sin egen hälsa.

Den elektriska skillnaden som främjades av de två typerna av påfrestningar var inte uppenbar förrän Rice Universitys Rouzbeh Shahsavari, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik, och hans kollegor modellerade en ny tvådimensionell förening, grafen-bor-nitrid (GBN).

Under elastisk belastning, den inre strukturen hos ett material sträckt som ett gummiband förändras inte. Men samma material under plastisk belastning – orsakat i det här fallet genom att sträcka det tillräckligt långt bortom elasticiteten för att deformeras – förvränger dess kristallina galler. GBN, det visar sig, visar olika elektriska egenskaper i varje fall, vilket gör den till en värdig kandidat som en strukturell sensor.

Shahsavari hade redan bestämt att hexagonal bornitrid - aka vit grafen - kan förbättra egenskaperna hos keramik. Han och hans kollegor har nu upptäckt att tillsats av grafen gör dem ännu starkare och mer mångsidiga, tillsammans med deras överraskande elektriska egenskaper.

Magin ligger i förmågan att tvådimensionell, kolbaserad grafen och vit grafen för att binda till varandra på en mängd olika sätt, beroende på deras relativa koncentrationer. Även om grafen och vit grafen naturligt undviker vatten, får dem att klumpa ihop sig, de kombinerade nanoarken sprids lätt i en slurry under tillverkningen av keramiken.

Den resulterande keramiken, enligt författarnas teoretiska modeller, skulle bli avstämbara halvledare med ökad elasticitet, styrka och duktilitet.

Forskningen ledd av Shahsavari och Asghar Habibnejad Korayem, en biträdande professor i konstruktionsteknik vid Iran University of Science and Technology och en forskare vid Monash University i Melbourne, Australien, visas i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .

Grafen är en väl studerad form av kol som är känd för sin avsaknad av ett bandgap - det område som en elektron måste hoppa för att göra ett material ledande. Utan bandgap, grafen är en metallisk ledare. Vit grafen, med sitt breda bandgap, är en isolator. Så ju större förhållandet mellan grafen i 2D-föreningen, desto mer ledande blir materialet.

Blandas in i keramiken i tillräckligt hög koncentration, 2D-föreningen kallad GBN skulle bilda ett nätverk så ledande som mängden kol i matrisen tillåter. Det ger den övergripande kompositen ett avstämbart bandgap som kan lämpa sig för en mängd olika elektriska applikationer.

"Att sammansmälta 2D-material som grafen och bornitrid i keramik och cement möjliggör nya kompositioner och egenskaper som vi inte kan uppnå med varken grafen eller bornitrid i sig själva, sa Shahsavari.

Teamet använde densitetsfunktionella teoriberäkningar för att modellera variationer av 2D-föreningen blandad med tobermorit, ett kalciumsilikathydratmaterial som vanligtvis används som cement för betong. De bestämde att syre-borbindningarna som bildas i keramen skulle förvandla den till en halvledare av p-typ.

Tobermorite i sig har ett stort bandgap på cirka 4,5 elektronvolt, men forskarna beräknade att när de blandas med GBN nanosheets av lika delar grafen och vit grafen, det gapet skulle krympa till 0,624 elektronvolt.

När ansträngd i den elastiska regimen, keramikens bandgap minskade, göra materialet mer ledande, men när den sträcks bortom elasticiteten – det vill säga, i plastregimen – den blev mindre ledande. Den där omkopplaren, forskarna sa, gör det till ett lovande material för självkännande och strukturella hälsoövervakningstillämpningar.

Forskarna föreslog andra 2D-ark med molybdendisulfid, niobdiselenid eller skiktade dubbla hydroxider kan ge liknande möjligheter för nedifrån-och-upp-design av avstämbara, multifunktionella kompositer. "Detta skulle ge en grundläggande plattform för cement- och betongförstärkning i minsta möjliga dimension, sa Shahsavari.