Det är officiellt:Hexagonal bornitrid (h-BN) är järnmannen i 2D-material, så motståndskraftig mot sprickbildning att den trotsar en hundraårig teoretisk beskrivning som ingenjörer fortfarande använder för att mäta seghet.

"Det vi observerade i detta material är anmärkningsvärt, " sa Jun Lou från Rice University, medkorresponderande författare till en Natur tidning publicerad denna vecka. "Ingen förväntade sig att se detta i 2D-material. Det är därför det är så spännande."

Lou förklarar betydelsen av upptäckten genom att jämföra brottsegheten hos h-BN med den hos dess mer kända kusin grafen. Strukturellt sett grafen och h-BN är nästan identiska. I varje, atomer är ordnade i ett platt gitter av sammankopplade hexagoner. I grafen, alla atomer är kol, och i h-BN innehåller varje hexagon tre kväve- och tre boratomer.

Kol-kolbindningarna i grafen är naturens starkaste, vilket borde göra grafen till det tuffaste som finns. Men det finns en hake. Om ens ett fåtal atomer är malplacerade, graphene prestanda kan gå från extraordinära till medioker. Och i den verkliga världen, inget material är felfritt, Lou sa, vilket är anledningen till att brottseghet – eller motstånd mot spricktillväxt – är så viktigt inom ingenjörskonst:Det beskriver exakt hur mycket straff ett verkligt material tål innan det misslyckas.

"Vi mätte brottsegheten hos grafen för sju år sedan, och det är faktiskt inte särskilt motståndskraftigt mot frakturer, " sa Lou. "Om du har en spricka i gallret, en liten belastning kommer bara att bryta materialet."

I ett ord, grafen är skört. Den brittiske ingenjören A.A. Griffith publicerade en framstående teoretisk studie av sprickmekanik 1921 som beskrev misslyckandet hos spröda material. Griffiths arbete beskrev förhållandet mellan storleken på en spricka i ett material och mängden kraft som krävs för att få sprickan att växa.

Lous studie från 2014 visade att grafens brottseghet kunde förklaras av Griffiths tidstestade kriterium. Med tanke på h-BN:s strukturella likheter med grafen, den förväntades också vara skör.

Så är inte fallet. Hexagonal bornitrids brottmotstånd är cirka 10 gånger högre än grafens, och h-BN:s beteende i frakturtester var så oväntat att det trotsade beskrivningen med Griffiths formel. Visar exakt hur det betedde sig och varför tog mer än 1, 000 timmar av experiment i Lous labb på Rice och lika mödosamt teoretiskt arbete som leds av medkorrespondent författare Huajian Gao vid Nanyang Technological University (NTU) i Singapore.

"Vad som gör det här arbetet så spännande är att det avslöjar en inneboende härdningsmekanism i ett förmodat perfekt sprött material, sa Gao. Tydligen, inte ens Griffith kunde förutse så drastiskt olika frakturbeteenden i två spröda material med liknande atomstruktur."

Lou, Gao och kollegor spårade de väldigt olika materiella beteendena till små asymmetrier som resulterar från att h-BN innehåller två element istället för ett.

"Bor och kväve är inte samma sak, så även om du har denna hexagon, det är inte exakt som kolhexagonen (i grafen) på grund av detta asymmetriska arrangemang, " sa Lou.

Han sa att detaljerna i den teoretiska beskrivningen är komplexa, men resultatet är att sprickor i h-BN har en tendens att förgrena sig och svänga. I grafen, spetsen på sprickan går rakt genom materialet, öppningsförband som en dragkedja. Men gitterasymmetrin i h-BN skapar en "bifurkation" där grenar kan bildas.

"Om sprickan är grenad, det betyder att det vänder, "Sade Lou. "Om du har denna svängande spricka, det kostar i princip ytterligare energi att driva sprickan vidare. Så du har effektivt härdat ditt material genom att göra det mycket svårare för sprickan att fortplanta sig."

Gao sa, "Den inneboende gitterasymmetrin ger h-BN en permanent tendens för en rörlig spricka att förgrena sig från sin väg, som en skidåkare som har förlorat sin förmåga att upprätthålla en balanserad hållning för att gå rakt fram."

Hexagonal bornitrid är redan ett extremt viktigt material för 2D-elektronik och andra applikationer på grund av dess värmebeständighet, kemisk stabilitet och dielektriska egenskaper, som gör att den kan fungera som både en stödjande bas och ett isolerande skikt mellan elektroniska komponenter. Lou sa att h-BN:s överraskande seghet också kan göra det till det perfekta alternativet för att lägga till rivhållfasthet till flexibel elektronik gjord av 2D-material, som tenderar att vara spröda.

"Nischområdet för 2D-materialbaserad elektronik är den flexibla enheten, " sa Lou.

Förutom applikationer som elektroniska textilier, 2D-elektronik är tillräckligt tunn för mer exotiska applikationer som elektroniska tatueringar och implantat som kan fästas direkt på hjärnan, han sa.

"För denna typ av konfiguration, du måste se till att materialet i sig är mekaniskt robust när du böjer det runt, ", sa Lou. "Att h-BN är så frakturbeständig är goda nyheter för den elektroniska 2D-gemenskapen, eftersom det kan använda detta material som ett mycket effektivt skyddande lager."

Gao sa att fynden också kan peka på en ny väg för att tillverka tuffa mekaniska metamaterial genom konstruerad strukturell asymmetri.

"Under extrem belastning, fraktur kan vara oundviklig, men dess katastrofala effekter kan mildras genom strukturell design, " sa Gao.

Lou är professor och biträdande ordförande i materialvetenskap och nanoteknik och professor i kemi vid Rice. Gao är en framstående universitetsprofessor i skolorna för både teknik och naturvetenskap vid NTU.

Rice-anslutna medförfattare är Yingchao Yang, nu biträdande professor vid University of Maine, Chao Wang, nu vid Harbin Institute of Technology i Kina, och Boyu Zhang. Andra medförfattare inkluderar Bo Ni från Brown University; Xiaoyan Li från Tsinghua University i Kina; Guangyuan Lu, Qinghua Zhang, Lin Gu och Xiaoming Xie från den kinesiska vetenskapsakademin; och Zhigong Song från Agency for Science, Teknik och forskning i Singapore och tidigare av Tsinghua och Brown.