Revelado segredo do material 10 vezes mais forte que o grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/06/2021

No grafeno há apenas átomos de carbono, enquanto cada hexágono no h-BN consiste em três átomos de nitrogênio e três átomos de boro.
[Imagem: NTU Singapore]

Material mais resistente do mundo

O grafeno é famoso e muitos ainda se referem a ele como o material mais forte do mundo.

Mas ele possui um parente bem próximo, chamado nitreto de boro hexagonal, que, além de muito parecido com seu primo mais famoso, é capaz de suportar uma força 10 vezes maior do que o grafeno.

O nitreto de boro hexagonal, ou h-BN, também é um material bidimensional, com apenas uma camada atômica de espessura, e chegou a ser usado pela indústria de cosméticos nos anos 1940. Ele foi abandonado devido ao seu alto preço, mas ressurgiu no final da década de 1990, depois que a tecnologia tornou sua produção mais barata.

Hoje, ele é usado em quase todos os cosméticos, devido à sua capacidade de absorver o excesso de sebo facial e dispersar os pigmentos uniformemente, e como uma camada protetora em eletrônicos, devido à sua capacidade de isolamento contra eletricidade e por resistir a temperaturas de até 1000 ºC.

Contudo, até agora, os cientistas nunca haviam compreendido a razão da resistência mecânica extrema do nitreto de boro hexagonal, já que essa propriedade - tecnicamente chamada tenacidade - é muito maior no h-BN do que em materiais com estruturas semelhantes.

Tenacidade

Yingchao Yang e colegas de Cingapura e dos EUA agora finalmente conseguiram bolar um experimento - e repeti-lo durante mais de 1.000 horas - que revelou os segredos do nitreto de boro.

Quando Yang examinou o h-BN conforme ele era exposto ao estresse, ele observou que quaisquer quebras no material se ramificavam como bifurcações em uma estrada, em vez de viajarem direto pelo material, o que significa que as fraturas no h-BN têm menos probabilidade de crescer quando mais estresse é aplicado.

"Nossos experimentos mostram que o h-BN é o nanomaterial mais resistente medido até o momento. O que torna este trabalho tão emocionante é que ele revela um mecanismo de endurecimento intrínseco neste material - que deve ser frágil, pois tem apenas um átomo de espessura. Isso é inesperado, pois muitas vezes há uma compensação entre a resistência e fragilidade dos nanomateriais," comentou o professor Huajian Gao, cuja equipe descobriu o princípio que governa a resistência dos metais e que, mais recentemente, ajudou a criar uma versão nanotecnológica do concreto armado.

A equipe afirma que essa nova compreensão das propriedades exclusivas do composto pode abrir caminho para o projeto de novos materiais flexíveis para a eletrônica.

Há uma ligeira assimetria na estrutura do nitreto de boro, o que é suficiente para impedir que as fraturas sigam adiante, como no grafeno.
[Imagem: NTU Singapore]

Grafeno versus nitreto de boro

Parecidos com favos de mel, tanto o h-BN quanto o grafeno estão dispostos em hexágonos interconectados. No entanto, os hexágonos no grafeno consistem apenas de átomos de carbono, enquanto cada hexágono no h-BN consiste em três átomos de nitrogênio e três átomos de boro.

Essa diferença na composição é o que faz com que uma rachadura em movimento no h-BN se ramifique, e essa tendência a se ramificar ou virar significa que é preciso mais energia para que uma rachadura avance. Em comparação, o grafeno quebra mais facilmente porque as fraturas viajam diretamente pelo material, como um zíper.

Os pesquisadores afirmam que a surpreendente resistência do h-BN pode torná-lo a opção ideal para fazer eletrônicos flexíveis resistentes a rasgos, como dispositivos médicos vestíveis e celulares dobráveis. Ele também pode ser adicionado para fortalecer compostos feitos de outros materiais bidimensionais, que tendem a ser frágeis.

"Nossas descobertas também apontam para uma nova rota para a produção de materiais resistentes, adicionando assimetria estrutural em seus projetos. Isso reduziria a probabilidade de fraturamento dos materiais sob estresse extremo, o que pode causar falhas nos dispositivos e causar efeitos catastróficos," finalizou o professor Gao.

Mais tópicos