Novo método alcança ajuste controlável e avalia instabilidade em materiais 2D para aplicações de engenharia

Materiais bidimensionais (2D) têm espessura de nível atômico e excelentes propriedades mecânicas e físicas, com amplas perspectivas de aplicação em campos como semicondutores, dispositivos flexíveis e materiais compostos.

Devido à sua rigidez de flexão extremamente baixa, materiais 2D de camada única sofrerão deformação fora do plano quando submetidos a restrições geométricas, formando ondulações, empenamentos, enrugamento ou mesmo vincos, o que pode afetar significativamente suas propriedades mecânicas, elétricas e térmicas.

Sua estabilidade mecânica também afeta diretamente a vida útil e o desempenho de serviço de dispositivos baseados em materiais 2D suspensos, como sistemas micro/nanoeletromecânicos (M/NEMS), ressonadores/osciladores, nano kirigami/origami, membranas de transporte de prótons e nanocanais.

Esclarecer os mecanismos de estabilidade mecânica de materiais 2D e alcançar o controle geral de seus comportamentos de instabilidade é crucial para as aplicações mecânicas de materiais 2D e outros filmes atomicamente finos.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Yang Lu do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Hong Kong (HKU) fez um avanço significativo nesta área ao fornecer um novo método para avaliar a instabilidade em filmes atomicamente finos. Os resultados foram publicados em Comunicações da Naturezaintitulado “Ajuste de instabilidade em materiais 2D monocamadas suspensos”.

Em colaboração com pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, a equipe do Professor Lu propôs uma estratégia “push-to-shear” para obter observação in situ da deformação de cisalhamento no plano de materiais 2D de camada única pela primeira vez, alcançando ajuste controlável das características de instabilidade de materiais 2D.

Combinando análise teórica e simulações de dinâmica molecular, os princípios mecânicos e mecanismos de controle da instabilidade multiordem em filmes atomicamente finos foram revelados.

A equipe está planejando colaborar com parceiros industriais para desenvolver um novo tipo de plataforma de medição mecânica para filmes atomicamente finos, que utiliza técnicas micro/nanomecânicas in situ para obter medições de propriedades mecânicas de alto rendimento, ao mesmo tempo em que permite engenharia de deformação profunda das propriedades físicas do dispositivo dos materiais.

“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 fornece novas oportunidades para modular a morfologia de instabilidade em nanoescala e as propriedades físicas de filmes atomicamente finos”, disse o Professor Lu. “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 o desempenho de flexão de filmes atomicamente finos.

“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”, acrescentou o professor Lu.

Dr. Hou Yuan, o primeiro autor do artigo e um pesquisador de pós-doutorado no grupo do Professor Lu declarou: “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 regular profundamente a estrutura de banda de materiais 2D.

“No futuro, continuaremos a avançar nessa pesquisa e, finalmente, esperamos alcançar um design integrado de mecânica e funcionalidade em materiais de baixa dimensão sob tensão profunda.”