Från smartphones som böjs till solpaneler som sveper sig runt hus, flexibel elektronik skulle kunna göra konsumenterna mycket nöjda. Men först, någon måste komma på hur man gör dem. En viktig fråga är vilka material som är tillräckligt tuffa för att behålla sina elektroniska egenskaper under så tuffa förhållanden?

Svaret kan ligga i 2D-material, framväxande material som är enkla lager av atomer. 2D-material har unika elektroniska egenskaper, och de förväntas vara användbara i framtida elektroniska enheter, nanokompositer, medicinska apparater, solceller, termoelektrik med mera. Dock, 2D-material är spröda, som har potential att begränsa deras användning.

Vid University of Delaware, M. Zubaer Hossain studerar sätt att kontrollera segheten och styrkan hos 2D-material och förstå hur de beter sig under belastningsförhållanden, som att sträckas ut, tappade, eller böjd. I en tidning som nyligen publicerades i Journal of Applied Physics , Hossain, en biträdande professor i maskinteknik, beskrev nya insikter om styrkan och segheten hos 2D-materialet hexagonal bornitrid, som utreds för användning bland annat eftersom det är en mycket bra isolator.

"Vi ville förstå styrka och seghet i detta spröda material och försöka förstå beteendet, styrka och seghet i olika riktningar, "Och vad vi finner i det här arbetet är att de beror mycket på lastriktningen."

Föreställ dig att du håller ett papper med framsidan nedåt framför dig. Om du drar höger och vänster sida rakt ut, papperet kommer inte att böjas, sa Hossain. Dock, om du drar de kanterna nedåt, papperet kommer att böjas. "Samma papper har olika mekaniska egenskaper beroende på i vilken riktning du laddar den, och samma idé kan appliceras på 2D-material, " sa han. När egenskaper beror på belastningens riktning, materialet är anisotropt.

Hossain försökte avgöra om hexagonal bornitrid är anisotropisk med avseende på styrka och seghet, och fann att det är det. Han ville också förstå hur anisotropi i detta material påverkar dess elektroniska egenskaper. Om de elektroniska egenskaperna ändras, resultatet kan utgöra ett problem, eller i vissa fall, en möjlighet – en helt ny funktionalitet som forskare kan utnyttja. Hur som helst, forskarna måste förstå vad som händer för att maximera användningen av materialet.

Hossain undersökte också materialet upp till den maximala spänningspunkten för att avgöra om belastningsriktningen påverkar brott.

"Detta arbete visar att styrkan eller belastningen vid vilken ett material börjar brista beror starkt på lastriktningen, " sa han. De bestämde också var materialet skulle börja spricka och hur man bestämmer sprickans väg. Banan förutsägs av lastriktningen precis som andra egenskaper.

Hossain undersökte materialet på atomär skala - trots allt, varje material är bara en samling atomer bundna genom elektroniska interaktioner.

"Det finns en atomistisk grund bakom detta differentiella svar, " sade han. "Arrangemanget av atomer är olika i olika riktningar."

Bindningarna mellan atomer förändras och överlappar varandra, och elektroner omfördelas. Denna omfördelning av elektroner beror på belastningsriktningen.

Atomaktiviteten hjälper också till att förklara vad som händer när materialet spricker. När sprickan först börjar med att bryta en bindning på atomär skala, händelsen kanske inte kan detekteras från makroskopiska mätningar, på grund av tid involverad i fortplantningen av stresssignalen. Ett brutet band kan självläka så länge som stressen som leder till att bindningen bryts slutar att öka dess intensitet.

"Defekter kan självläka om belastningen är precis rätt, men om du går förbi den kritiska punkten, det kanske inte går att återställa längre, " han sa.

Hossains expertis inom maskinteknik gör det möjligt för honom att ta en unik inställning till denna forskning.

"Vanligtvis studeras materialegenskaper och mekanismer i kvantskala av fysiker eller materialforskare, mestadels under jämvikt eller odeformerade förhållanden som är långt ifrån det mekaniska tillståndet där sprickprocesserna börjar bilda kärnor eller fortplanta sig, " sade han. "Vår forskning är tvärvetenskaplig. Vi ser på styrka och tuffhet, som är traditionella ämnen inom maskinteknik, men vi försöker förstå styrkan och segheten ur ett kvantmekaniskt perspektiv, vilket vanligtvis inte är fallet för maskiningenjörer. Vi försöker bygga och tillämpa fysikbaserad analys och verktyg för att avslöja nanoskalamekanismer och identifiera deras roll på det mekaniska beteendet som vi ser på längre skalor."

Dessa är allt viktigare färdigheter eftersom enheterna blir allt snabbare och sofistikerade och konsumenterna efterfrågar mer mångsidiga produkter.

"Nu för tiden, vi måste kunna konstruera beteenden på elektronisk nivå, " han sa.