К счастью, исследователи теперь точно определили механизм разрушения нескольких однослойных материалов, в сотни раз более прочных, чем сталь, с экзотическими свойствами, которые могут революционизировать все, от брони до электроники. Команда Колумбийского университета использовала суперкомпьютеры в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США для моделирования и исследования квантово-механических процессов, которые было бы чрезвычайно сложно исследовать экспериментально.Они обнаружили, что деформация материалов вызывает новый фазовый переход — перестройку их почти идеальных кристаллических структур, которая приводит к нестабильности и разрушению.
Удивительно, но это явление сохранялось в нескольких различных материалах с разными электронными свойствами, что позволяет предположить, что монослои могут иметь внутреннюю нестабильность, которую нужно либо преодолеть, либо использовать. Результаты опубликованы в журнале Physical Review B.«Наши расчеты выявили фундаментальные сдвиги в структуре и характере этих однослойных материалов при стрессе», — сказал соавтор исследования и доктор философии Колумбийского университета. кандидат Эрик Айзекс. «Впервые увидеть красивые узоры, которые демонстрируют эти материалы в момент их предела, было невероятно захватывающим и важным для будущих приложений».Команда виртуально исследовала этот экзотический фазовый переход в графене, нитриде бора, дисульфиде молибдена и графане — всех многообещающих однослойных материалах.Имитация разрушения
Однослойные материалы испытывают нагрузку в атомных масштабах, требуя иного опыта расследования, чем у средней бригады по сносу. Айзекс и его сотрудники обратились к математической структуре, называемой теорией функционала плотности (DFT), чтобы описать квантово-механические процессы, происходящие в материалах.«DFT позволяет нам изучать материалы непосредственно на основе фундаментальных законов физики, результаты которых можно напрямую сравнивать с экспериментальными данными», — сказал Крис Марианетти, профессор материаловедения Колумбийского университета и соавтор исследования. «Мы предоставляем фундаментальные константы и ядра материала, и с помощью DFT мы можем точно аппроксимировать реальные характеристики материала в различных условиях».В этом исследовании расчеты DFT показали атомную структуру материалов, значения напряжений, колебательные свойства, а также то, действовали ли они как металлы, полупроводники или изоляторы при деформации.
Переключение или поддержание этих проводящих свойств особенно важно для будущих приложений в микроэлектронике.«Тестирование всех различных атомных конфигураций для каждого материала при деформации сводится к огромному количеству вычислений», — сказал Айзекс. «Без высокопараллельных суперкомпьютерных ресурсов и опыта в Brookhaven было бы почти невозможно точно определить этот переход в напряженных монослоях».
Скрученный атомный хаф-пайпКонечно, при достаточном стрессе все ломается, но не все существенно меняется в процессе. Гнущаяся дубовая ветка, например, не входит в странную переходную фазу по мере приближения к точке разрыва — она просто ломается. Оказывается, в однослойных материалах действуют совсем другие правила.
Внутри сотовых решеток монослоев, таких как графен, нитрид бора и графан, атомы быстро колеблются на месте. Различные колебательные состояния, которые определяют многие механические свойства материала, называются «модами».
Поскольку идеальные гексагональные структуры таких монослоев деформируются, они входят в тонкую «мягкую моду» — колеблющиеся атомы выскальзывают из своей первоначальной конфигурации и искажаются в сторону новых структур по мере разрушения материалов.«Представьте себе скейтбордиста в хаф-пайпе, — сказал Айзекс. «Обычно фигурист скользит взад и вперед, но остается в центре низа. Но если мы достаточно скручиваем и деформируем этот хафпайп, скейтбордист выкатывается и никогда не возвращается — это похоже на этот мягкий режим, когда вибрирующие атомы уходят от своей позиции в решетке ".Мягко ломая
Исследователи обнаружили, что эта колебательная мягкая мода вызывает длительные нестабильные искажения в большинстве известных однослойных материалов. В случае графена, нитрида бора и графана основа идеальной кристаллической решетки искажена в сторону изолированных гексагональных колец. Искажение мягкой моды привело к разрушению графена, нитрида бора и дисульфида молибдена.
Поскольку монослои были напряжены, энергетические затраты на изменение длины связи стали значительно меньше — другими словами, при достаточном напряжении возникающая мягкая мода побуждает атомы перестраиваться в нестабильные конфигурации. Это, в свою очередь, диктует, как можно контролировать это напряжение и настраивать характеристики монослоя.«Наша работа демонстрирует, что механизм отказа мягкой моды не уникален для графена, и предполагает, что он может быть внутренней особенностью однослойных материалов», — сказал Айзекс.Однослойный ремонт
Вооруженные этим знанием, исследователи теперь могут выяснить, как отсрочить наступление недавно охарактеризованных нестабильностей и повысить прочность существующих монослоев. Помимо этого, ученые могут даже разработать новые сверхпрочные материалы, которые предвосхищают и преодолевают слабость мягкого режима.«Помимо острых ощущений от открытия, эта работа сразу же пригодится большому сообществу исследователей, желающих узнать и использовать графен и его кузенов», — сказал Айзекс. «Например, мы работаем с экспериментаторами из Колумбии, которые используют технику под названием« наноиндентирование », чтобы экспериментально измерить то, что мы моделировали».Работа была поддержана Национальным научным фондом (грант № CMMI-0927891) и Нью-Йоркским центром вычислительных наук, совместным предприятием Brookhaven Lab и Stony Brook University при поддержке Министерства энергетики США и штата Нью-Йорк.
Йорк.