Cooperating Cracks in Two-Dimensional Crystals
Questo studio rivela che il taglio interstrato indotto dal disadattamento nei cristalli 2D bivalenti causa l'attrazione o la repulsione tra crepe parallele e antiparallele, rispettivamente, aumentando così la tenacità del materiale e fornendo un quadro teorico per l'ingegneria dei modelli di frattura.
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Quando un materiale solido si rompe, raramente accade con una singola linea pulita. Invece, il cedimento spesso inizia con una rete di crepe che crescono, si torcono e interagiscono tra loro. Nel mondo dell'ingegneria e della scienza dei materiali, comprendere come si comportano queste crepe è una questione di sicurezza e progettazione. Per decenni, gli scienziati hanno studiato come le crepe si muovono attraverso un singolo blocco solido di materiale. Sanno che quando due crepe esistono nello stesso piano piatto, possono spingersi l'una contro l'altra o attrarsi, a seconda del loro allineamento. Ma una nuova frontiera si è aperta con la scoperta dei cristalli bidimensionali. Questi sono materiali spessi solo pochi atomi, come fogli di carta impilati l'uno sull'altro. Cosa succede quando una crepa si forma in uno di questi fogli ultra-sottili, e un'altra crepa si forma nel foglio direttamente sopra o sotto di esso? La risposta non è solo una semplice estensione di ciò che sappiamo sui materiali spessi; l'interazione tra questi strati crea un insieme completamente diverso di regole su come le cose si rompono.
I ricercatori hanno ora scoperto queste regole nascoste osservando le crepe in un materiale chiamato disolfuro di molibdeno, disposto in due strati. Utilizzando un potente microscopio capace di vedere i singoli atomi, il team ha osservato la crescita delle crepe in questi fogli sovrapposti. Hanno scoperto che il comportamento di queste crepe dipende interamente da come gli strati sono impilati l'uno rispetto all'altro. Quando due crepe corrono parallele tra loro in strati adiacenti, non si ignorano a vicenda. Al contrario, vengono attratte l'una verso l'altra, piegando i propri percorsi finché non si fondono infine in una singola linea. Questo è un risultato sorprendente perché, in un singolo blocco solido, le crepe parallele di solito si respingono o si muovono in modi complessi che dipendono dal tipo specifico di sollecitazione applicata. Qui, gli strati agiscono come un ponte, attirando le crepe l'una verso l'altra. Viceversa, quando le crepe sono disposte in modo antiparallelo, ovvero quando procedono l'una verso l'altra da direzioni opposte, esse si respingono e si deviano per evitare una collisione.
Il segreto di questo strano comportamento risiede nello spazio tra gli strati. Questi cristalli bidimensionali sono tenuti insieme da forze molto deboli, molto più deboli dei forti legami che tengono uniti gli atomi all'interno del foglio stesso. Quando una crepa si apre nello strato superiore, crea un vuoto che tira gli atomi nello strato inferiore. Poiché i due strati non sono perfettamente bloccati insieme, lo strato inferiore scivola leggermente per accomodare la sollecitazione. Questo scivolamento, o taglio, crea una forza che viaggia attraverso il vuoto. Se le crepe sono parallele, questo scivolamento crea una trazione che le attira l'una verso l'altra. Se le crepe sono antiparallele, lo scivolamento crea una spinta che le allontana. I ricercatori hanno confermato questo meccanismo eseguendo simulazioni al computer dettagliate che modellavano il movimento di miliardi di atomi. Queste simulazioni hanno mostrato che la forza di questa attrazione o repulsione dipende da quanto sono distanti le crepe e da quanto è rigida la connessione tra gli strati. Più le crepe sono vicine, e più forte è la connessione tra gli strati, più drammatico diventa l'effetto.
Per dare un senso a questi complessi movimenti atomici, il team ha sviluppato un nuovo modo di pensare al problema. Hanno combinato le regole standard usate per prevedere come crescono le crepe con un modello che descrive come gli strati scivolano l'uno contro l'altro. Questo approccio ha permesso loro di prevedere esattamente come una crepa si piegherebbe in base alla distanza dal suo vicino e alle proprietà del materiale. I loro calcoli corrispondevano perfettamente alle osservazioni del microscopio e alle simulazioni al computer. Hanno scoperto che l'interazione è così forte da poter effettivamente rendere il materiale più resistente. Incoraggiando le crepe a fondersi piuttosto che a diffondersi e indebolire l'intera struttura, il materiale può assorbire più energia prima di cedere. Ciò suggerisce che gli ingegneri potrebbero progettare materiali più forti disponendo intenzionalmente gli strati per controllare come interagiscono le crepe. Invece di cercare di impedire la formazione di crepe, potrebbero guidarle affinché si fondano in un modo che preservi l'integrità della struttura.
Lo studio ha anche rivelato che l'angolo con cui gli strati sono ruotati l'uno rispetto all'altro è importante. In alcune configurazioni, gli strati scivolano facilmente e le crepe si comportano come previsto. In altre, gli strati sono bloccati in un modo che impedisce questo scivolamento e le crepe si ignorano, comportandosi come se fossero in un unico blocco solido. Questa scoperta evidenzia che l'architettura interna di questi materiali è importante tanto quanto la loro composizione chimica. I ricercatori hanno testato queste idee sia sul disolfuro di molibdeno che sul grafene, un materiale fatto di puro carbonio, e hanno scoperto che gli stessi principi si applicano. I risultati offrono una nuova prospettiva su come gestire il cedimento nella prossima generazione di dispositivi ultra-sottili. Comprendendo che le crepe negli strati vicini possono "parlare" tra loro attraverso le deboli forze che li separano, gli scienziati possono ora immaginare di progettare materiali che non siano solo resistenti alla rottura, ma che gestiscano attivamente il modo in cui si rompono per sopravvivere più a lungo.
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