El grafeno podrá ser uno de los materiales más avanzados en la actualidad, pero definitivamente no será el más duro. Un material 2D llamado nitruro de boro hexagonal (h-BN) con propiedades físicas similares al grafeno lo ha destronado en términos de dureza.
El nuevo material es extremadamente resistente al agrietamiento. El hallazgo va en contra de la descripción fundamental de la mecánica de las fracturas que los científicos han estado utilizando para predecir y definir la tenacidad desde la década de 1920. Los detalles de la investigación fueron publicados en Nature.
h-BN
El nitruro de boro hexagonal es en realidad extremadamente similar al grafeno. Ambos materiales consisten en redes hexagonales de átomos. En el caso del grafeno, todos esos átomos son carbono; pero para h-BN, cada hexágono contiene tres átomos de boro y tres átomos de nitrógeno.
Los enlaces carbono-carbono se encuentran entre los más fuertes de la naturaleza, por lo que se espera que el grafeno sea mucho más fuerte que el h-BN. Sin embargo, el grafeno también tiene una baja resistencia a las grietas; en otras palabras, es notablemente frágil.
“Medimos la resistencia a la fractura del grafeno hace 7 años, y en realidad no es muy resistente”, dijo el científico de materiales Jun Lou de la Universidad de Rice. “Si tiene una grieta en la celosía, una pequeña carga simplemente romperá ese material”, agregó.
Fractura de Griffith
Durante un tiempo se pensó que, debido a que las otras propiedades del h-BN son muy similares a las del grafeno, su fragilidad también sería comparable. Especialmente porque la fragilidad del grafeno era consistente con la teoría de la fractura de Griffith, presentada por el ingeniero Alan Arnold Griffith en 1921.
Griffith encontró que las grietas se propagarán cuando la tensión ejercida sobre un material es mayor que la fuerza que lo mantiene unido; y la diferencia de energía se libera en la propagación de la grieta.
Sin embargo, cuando un equipo de investigadores decidió probarlo, encontraron que la resistencia a la fractura de h-BN era 10 veces mayor que la del grafeno. Eso no es consistente con la teoría de Griffith.
El experimento
Para averiguar por qué, el equipo aplicó tensión a las muestras de h-BN, utilizando microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión para observar con el menor detalle posible cómo ocurren las grietas.
Después de más de 1.000 horas de experimentación y el análisis de seguimiento, descubrieron que, aunque los dos materiales pueden ser similares, no son exactamente iguales.
En el grafeno, una grieta tiende a zigzaguear directamente a través de la estructura hexagonal simétrica, de arriba a abajo. El h-BN presenta una ligera asimetría en su estructura hexagonal, debido al contraste de tensiones entre el boro y el nitrógeno, lo que hace que las fisuras tiendan a bifurcarse.
Esto es lo que hace que el material sea mucho más resistente. “Si la grieta está ramificada, significa que está girando”, dijo Lou. “Si tiene esta grieta giratoria, básicamente cuesta energía adicional impulsar la grieta más lejos. Por lo tanto, ha endurecido su material de manera efectiva al dificultar la propagación de la grieta”, agregó.
El hallazgo tiene implicaciones para el desarrollo de materiales 2D flexibles para su uso en aplicaciones como la electrónica. Además, el h-BN ya tiene una serie de propiedades que lo convierten en una excelente perspectiva para estas aplicaciones, incluida su resistencia al calor y estabilidad química.
