Un team di ricerca della Hong Kong Polytechnic University ha scoperto che, torcendo gli strati di materiali 2D, è possibile aumentarne la tenacità senza comprometterne la resistenza.
I ricercatori della Hong Kong Polytechnic University (PolyU) hanno sviluppato un nuovo approccio ingegneristico basato sulla torsione, che aumenta la resistenza e tenacità dei materiali 2D. Questa innovazione facilita la progettazione di nuovi materiali 2D resistenti e tenaci promuovendo la loro applicazione nei campi dell’elettronica flessibile, della conversione dell’energia, della tecnologia quantistica e della sensoristica. I risultati sono stati pubblicati su Nature Materials e riportati da Phys.org.
Sebbene i materiali 2D mostrino spesso una resistenza eccezionale, sono estremamente fragili e le fratture subite sono in genere irreversibili. Queste caratteristiche limitano l’uso di materiali 2D in dispositivi che richiedono deformazioni ripetute, come dispositivi ad alta potenza, elettronica flessibile e dispositivi indossabili.
Un meccanismo di autoriparazione
Il nuovo approccio sviluppato dal team guidato dal Prof. Jiong Zhao è partito dall’osservazione dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), una classe di materiali 2D noti per le loro proprietà elettroniche, ottiche e meccaniche uniche che consentono diverse applicazioni in elettronica e optoelettronica, accumulo e conversione di energia, sensori e dispositivi biomedici, tecnologie quantistiche, meccanica e tribologia. Concentrandosi sui TMD, come il disolfuro di molibdeno (MoS₂) e il disolfuro di tungsteno (WS₂), gli scienziati hanno scoperto un nuovo meccanismo di frattura nei doppi strati ritorti. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in situ, il team ha notato che quando le crepe si propagano in strutture a doppio strato contorte, la discrepanza nell’orientamento del reticolo tra gli strati superiore e inferiore porta alla formazione di percorsi crepati interconnessi. Dopo la frattura iniziale, i bordi della crepa formano spontaneamente, in entrambi gli strati, strutture stabili al bordo dei grani attraverso un meccanismo di autoassemblaggio. Questa caratteristica di “auto-riparazione della crepa” protegge le punte delle fratture successive dalla concentrazione di stress, prevenendo che si propaghi ulteriormente. In particolare, questo processo consuma più energia rispetto alla frattura convenzionale e il grado di miglioramento della tenacità può essere settato regolando la torsione e l’angolo di torsione.
Il Prof. Jiong Zhao ha affermato: “Rompendo il quadro della teoria convenzionale della meccanica della frattura, questo studio presenta la prima dimostrazione della soppressione autonoma del danno nei materiali 2D, stabilendo una strategia rivoluzionaria per la progettazione di nuovi materiali 2D integrati, resistenti e tenaci. Questa ricerca estende inoltre l’applicazione della twisttronica alla progettazione delle prestazioni meccaniche, ad esempio per quanto riguarda la resistenza dei materiali, aprendo interessanti possibilità per lo sviluppo di futuri dispositivi elettronici e fotonici”. Con il continuo sviluppo delle tecniche di fabbricazione per materiali 2D twistati, una nuova generazione di materiali intelligenti che combinano proprietà meccaniche superiori con caratteristiche elettriche inedite.
Foto: Nature Materials (2025)
