«Nadie esperaba ver esto en materiales 2D»: Determinan una materia bidimensional 10 veces más resistente a la fractura que el grafeno

Dada la disposición asimétrica de sus átomos, las grietas del nitruro de boro hexagonal suelen ramificarse y cambiar su dirección, por lo que es más difícil que se propaguen.

La estructura del nitruro de boro hexagonal (h-BN) lo hace mucho más resistente a las fracturas que el grafeno, estableció un equipo de científicos de China, EE.UU. y Singapur tras más de 1.000 horas de experimentos con ambos materiales.

Se sabe que los enlaces carbono-carbono, en los que se basa el grafeno, son los más fuertes en la naturaleza. Sin embargo, en condiciones reales la ausencia de solo un átomo es suficiente para que en el grafeno se forme una grieta capaz de crecer rápidamente. Esto afecta drásticamente el rendimiento de ese material 2D, explica Jun Lou, miembro del equipo, en un comunicado publicado por la Universidad de Rice (EE.UU.) este miércoles.

«Medimos la resistencia a la fractura del grafeno hace 7 años, y en realidad no es muy resistente. […] Si tiene una grieta en la celosía, una pequeña carga simplemente romperá el material», señala el científico.

A su vez, el h-BN es estructuralmente parecido al grafeno, pero sus enlaces son más débiles dada la disposición asimétrica de sus átomos. Inicialmente, los investigadores pensaban que su resistencia es menor que la del grafeno. Sin embargo, tras una serie de pruebas en laboratorio determinaron que es 10 veces mayor, una observación que desafía la teoría de la fractura frágil, elaborada en 1921 por el ingeniero británico Alan Arnold Griffith.

«Lo que observamos en este material es extraordinario. Nadie esperaba ver esto en materiales 2D. Por eso es tan emocionante», dice Lou.

Al estudiar el material con microscopio electrónico, los científicos entendieron que la fortaleza del h-BN radica justamente en la asimetría de su estructura hexagonal. En el grafeno la grieta va directamente a través del material, como una cremallera. Contrariamente, en el nitruro de boro hexagonal se ramifica y cambia su dirección.

Representación esquemática de la ramificación de una grieta en un cristal 2D de nitruro de boro hexagonal.

«Si la grieta está ramificada, significa que está girando. Si tiene esta grieta giratoria, la energía adicional la impulsará más lejos. Por lo tanto, endurece efectivamente su material al hacer que sea mucho más difícil que la grieta se propague», describe Lou.

«Bajo cargas extremas, la fractura puede ser inevitable, pero sus efectos catastróficos pueden mitigarse mediante el diseño estructural», comenta su colega, Huajian Gao.

En cuanto al posible uso del descubrimiento, Lou opina que sería «una gran noticia para la comunidad electrónica 2D», donde se puede utilizar como capa protectora. Entre tanto, cree que «el área de nicho para la electrónica basada en materiales 2D es el dispositivo flexible».

Un estudio sobre las propiedades del h-BN fue publicado este miércoles en la revista Nature.

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