Nova estratégia permite controle preciso de propriedades de materiais 2D


Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Yang Lu do Departamento de Engenharia Mecânica da A Universidade de Hong Kong desenvolveu uma técnica para avaliar a instabilidade em filmes atomicamente finos, marcando um avanço significativo neste campo. Os resultados foram publicados na revista Comunicações da Natureza.

Nova estratégia permite controle preciso de propriedades de materiais 2D
Comparação dos processos de carga e descarga em simulações MD. Crédito da imagem: Nature Communications.

Materiais bidimensionais (2D) possuem capacidades mecânicas e físicas excepcionais e espessura em nível atômico. Eles têm grande potencial para uso em várias disciplinas, incluindo materiais compostos, eletrônica flexível e semicondutores.

Quando materiais 2D de camada única são expostos a restrições geométricas, eles sofrem deformação fora do plano devido à sua rigidez de flexão extremamente baixa. Isso pode resultar em ondulações, flambagem, enrugamento ou mesmo dobras, o que pode impactar substancialmente suas características mecânicas, elétricas e térmicas.

A estabilidade mecânica também impacta fortemente a longevidade e a funcionalidade de dispositivos baseados em materiais 2D suspensos, como membranas de transporte de prótons, nanocanais, ressonadores, osciladores e nano kirigami/origami.

Entender os mecanismos de estabilidade mecânica de materiais 2D e obter controle sobre seus comportamentos de instabilidade é essencial para usar materiais 2D e outros filmes atomicamente finos em aplicações mecânicas.

A equipe do professor Lu, trabalhando com cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, desenvolveu uma técnica de “push-to-shear” que permitiu o ajuste controlável das características de instabilidade de materiais 2D e a primeira observação in situ da deformação de cisalhamento no plano de materiais 2D de camada única.

Os princípios mecânicos e mecanismos de controle da instabilidade multiordem em filmes atomicamente finos foram revelados pela combinação de pesquisa teórica com simulações de dinâmica molecular.

A equipe pretende trabalhar com parceiros da indústria para criar um novo plataforma de medição mecânica para filmes atomicamente finos. Esta plataforma utilizará no native técnicas micro/nanomecânicas para permitir a engenharia de deformação profunda das propriedades físicas dos materiais e obter medições de propriedades mecânicas de alto rendimento.

Este avanço na pesquisa supera a dificuldade de controlar o comportamento de instabilidade de materiais 2D de camada de átomo único suspensos, alcançando a medição da rigidez de flexão de grafeno de camada única e dissulfeto de molibdênio (MoS2). O estudo também oferece novas oportunidades para modular a morfologia da instabilidade em nanoescala e as propriedades físicas de filmes atomicamente finos.

Yang Lu, Professor, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Hong Kong

Lu disse: “Desenvolvemos um dispositivo de cisalhamento in situ baseado em MEMS para controlar o comportamento de instabilidade de materiais 2D de camada única suspensos, que também é aplicável a outros filmes atomicamente finos.”

Investigamos ainda mais a evolução da morfologia das rugas de materiais 2D induzida pela instabilidade, descobrindo diferentes caminhos de instabilidade e recuperação dominados por mudanças no comprimento de onda e amplitude das rugas, e fornecendo um novo método de mecânica experimental para avaliar o comportamento de instabilidade e desempenho de flexão de filmes atomicamente finos..

Yang Lu, Professor, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Hong Kong

O professor Lu acrescentou: “Além disso, as mudanças locais de tensão/deformação e curvatura relacionadas ao processo de instabilidade de materiais 2D têm aplicações importantes em campos físicos e químicos, como a alteração da estrutura eletrônica por meio do ajuste da morfologia enrugada e do estabelecimento de canais rápidos de transporte de prótons..”

Esta pesquisa alcançou modulação de instabilidade controlável de materiais atomicamente finos representados por materiais 2D. Comparado à engenharia de deformação por tração tradicional, a deformação por cisalhamento pode common profundamente a estrutura de banda de materiais 2D. No futuro, continuaremos a avançar esta pesquisa e, finalmente, esperamos alcançar um design integrado de mecânica e funcionalidade em materiais de baixa dimensão sob deformação profunda.

Dr. Hou Yuan, primeiro autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado, Universidade de Hong Kong

Referência do periódico:

Hou, Y., e outros. (2024) Ajuste de instabilidade em materiais 2D monocamadas suspensos. Comunicações da Natureza. doi.org/10.1038/s41467-024-48345-7.

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