Cooperating Cracks in Two-Dimensional Crystals

Wanneer een vast materiaal breekt, gebeurt dit zelden in één enkele, schone lijn. In plaats daarvan begint het falen vaak met een netwerk van scheuren die groeien, draaien en met elkaar interageren. In de wereld van techniek en materiaalkunde is het begrijpen van hoe deze scheuren zich gedragen een kwestie van veiligheid en ontwerp. Decennialang hebben wetenschappers bestudeerd hoe scheuren door een enkele, massieve blok materiaal bewegen. Ze weten dat wanneer twee scheuren in hetzelfde vlak bestaan, ze elkaar ofwel uit elkaar kunnen duwen of naar elkaar toe kunnen trekken, afhankelijk van hun uitlijning. Maar een nieuwe grens is geopend met de ontdekking van tweedimensionale kristallen. Dit zijn materialen die slechts enkele atomen dik zijn, zoals vellen papier die op elkaar gestapeld zijn. Wat gebeurt er wanneer een scheur ontstaat in een van deze ultradunne vellen, en er een andere scheur ontstaat in het vel direct erboven of eronder? Het antwoord is niet simpelweg een voortzetting van wat we weten over dikke materialen; de interactie tussen deze lagen creëert een compleet andere set regels voor hoe dingen breken.

Onderzoekers hebben deze verborgen regels nu onthuld door te kijken naar scheuren in een materiaal genaamd molybdeendisulfide, dat in twee lagen is gerangschikt. Met behulp van een krachtige microscoop die individuele atomen kan zien, observeerde het team hoe scheuren groeiden in deze gestapelde vellen. Ze ontdekten dat het gedrag van deze scheuren volledig afhangt van hoe de lagen ten opzichte van elkaar zijn gestapeld. Wanneer twee scheuren parallel aan elkaar lopen in aangrenzende lagen, negeren ze elkaar niet. In plaats daarvan worden ze naar elkaar toe getrokken, waarbij ze hun paden buigen tot ze uiteindelijk samensmelten tot een enkele lijn. Dit is een verrassend resultaat, omdat in een enkel massief blok parallelle scheuren gewoonlijk elkaar afstoten of op complexe manieren bewegen die afhangen van het specifieven type spanning die wordt uitgeoefend. Hier fungeren de lagen als een brug die de scheuren naar elkaar toe trekt. Omgekeerd, wanneer de scheuren in een antiparallelle configuratie zijn gerangschikt, wat betekent dat ze vanuit tegengestelde richtingen naar elkaar toe bewegen, stoten ze elkaar af en sturen ze weg om een botsing te vermijden.

Het geheim van dit vreemde gedrag ligt in de ruimte tussen de lagen. Deze tweedimensionale kristallen worden bij elkaar gehouden door zeer zwakke krachten, veel zwakker dan de sterke bindingen die de atomen binnen het vel zelf bij elkaar houden. Wanneer een scheur in de bovenste laag ontstaat, creëert dit een opening die aan de atomen in de onderste laag trekt. Omdat de twee lagen niet perfect in elkaar vergrendeld zijn, glijdt de onderste laag een klein beetje om de spanning op te vangen. Dit glijden, of de afschuiving (shear), creëert een kracht die zich over de opening verspreidt. Als de scheuren parallel zijn, creëert dit glijden een trekkracht die hen naar elkaar toe trekt. Als de scheuren antiparallel zijn, creëert het glijden een duwkracht die hen van elkaar wegstuwt. De onderzoekers bevestigden dit mechanisme door gedetailleerde computersimulaties uit te voeren die de beweging van miljarden atomen modelleerden. Deze simulaties toonden aan dat de sterkte van deze aantrekking of afstoting afhangt van hoe ver de scheuren uit elkaar liggen en hoe stijf de verbinding tussen de lagen is. Hoe dichter de scheuren bij elkaar liggen, en hoe sterker de verbinding tussen de lagen is, hoe dramatischer het effect wordt.

Om de complexe atomaire bewegingen te begrijpen, ontwikkelde het team een nieuwe manier om over het probleem na te denken. Ze combineerden de standaardregels die worden gebruikt om de groei van scheuren te voorspellen met een model dat beschrijft hoe lagen langs elkaar glijden. Deze aanpak stelde hen in staat om precies te voorspellen hoe een scheur zou buigen op basis van de afstand tot zijn buurman en de eigenschappen van het materiaal. Hun berekeningen kwamen perfect overeen met de observaties van de microscoop en de computersimulaties. Ze ontdekten dat de interactie zo sterk is dat het het materiaal daadwerkelijk taaier kan maken. Door scheuren aan te moedigen om samen te smelten in plaats van zich te verspreiden en de hele structuur te verzwakken, kan het materiaal meer energie absorberen voordat het bezwijkt. Dit suggereert dat ingenieurs sterkere materialen kunnen ontwerpen door lagen bewust zo te rangschikken dat ze de interactie tussen scheuren beheersen. In plaats van te proberen de vorming van scheuren te voorkomen, zouden ze de scheuren kunnen leiden om samen te smelten op een manier die de integriteit van de structuur behoudt.

De studie onthulde ook dat de hoek waaronder de lagen ten opzichte van elkaar gedraaid zijn, ertoe doet. In sommige configuraties glijden de lagen gemakkelijk en gedragen de scheuren zich zoals voorspeld. In andere gevallen zijn de lagen op een manier vergrendeld die dit glijden verhindert, en negeren de scheuren elkaar, waarbij ze zich gedragen alsof ze in een enkel massief blok zitten. Deze bevinding benadrukt dat de interne architectuur van deze materialen even belangrijk is als hun chemische samenstelling. De onderzoekers testten deze ideeën op zowel molybdeendisulfide als grafeen, een materiaal gemaakt van puur koolstof, en vonden dat dezelfde principes van toepassing waren. De resultaten bieden een nieuw perspectief op hoe men falen kan beheren in de volgende generatie ultradunne apparaten. Door te begrijpen dat scheuren in naburige lagen met elkaar kunnen 'praten' via de zwakke krachten tussen hen, kunnen wetenschappers zich nu voorstellen om materialen te ontwerpen die niet alleen bestand zijn tegen breken, maar die actief het proces van breken beheren om langer te overleven.