在彈性應變下導電性更強且在塑性應變下導電性更低的陶瓷可以導致嵌入到建筑物，橋梁和飛機等結構中的新一代傳感器能夠監(jiān)測其自身的健康狀況。

直到萊斯大學的土木與環(huán)境工程和材料科學與納米工程助理教授Rouzbeh Shahsavari和他的同事們模擬了一種新型的二維化合物 - 石墨烯 - 氮化硼之前，兩種類型菌株所產生的電氣差異并不明顯。 (GBN)。

在彈性應變下，像橡皮筋一樣拉伸的材料的內部結構不會改變。但是塑性應變下的相同材料 - 在這種情況下通過將其拉伸到足夠的彈性以使其變形 - 使其晶格扭曲變形。事實證明，GBN在每種情況下都顯示出不同的電氣特性，使其成為結構傳感器的理想選擇。

Shahsavari已經確定六角形氮化硼 - 又名白色石墨烯 - 可以改善陶瓷的性能。他和他的同事現在發(fā)現，添加石墨烯使它們更強大，更通用，同時具有令人驚訝的電性能。

神奇之處在于二維碳基石墨烯和白色石墨烯能夠以各種方式相互結合，具體取決于它們的相對濃度。雖然石墨烯和白色石墨烯自然地避免水，導致它們結塊，但是在陶瓷制造過程中，組合的納米片很容易分散在漿料中。

根據作者的理論模型，所得到的陶瓷將成為具有增強的彈性，強度和延展性的可調諧半導體。

由Shahsavari和Asghar Habibnejad Korayem領導的研究，伊朗科技大學結構工程助理教授和澳大利亞墨爾本莫納什大學的研究員，出現在美國化學學會期刊應用材料與接口雜志上。

石墨烯是一種經過充分研究的碳形式，因其缺乏帶隙而聞名 - 電子必須跳躍以使材料導電。沒有帶隙，石墨烯是金屬導體。白色石墨烯具有寬帶隙，是絕緣體。因此，2D化合物中石墨烯的比例越大，材料的導電性越大。

以足夠高的濃度混入陶瓷中，被稱為GBN的2D化合物將形成與基質中的碳量允許的導電網絡。這使得整個復合材料具有可調諧的帶隙，可以適用于各種電氣應用。

“將石墨烯和氮化硼等二維材料融合在陶瓷和水泥中，可以實現石墨烯或氮化硼本身無法實現的新成分和性能，”Shahsavari說。

該團隊使用密度泛函理論計算來模擬與雪硅鈣石混合的二維化合物的變化，硅藻土是一種常用作混凝土水泥的硅酸鈣水合物材料。他們確定陶瓷中形成的氧 - 硼鍵將其轉變?yōu)閜型半導體。

Tobermorite本身具有約4.5電子伏特的大帶隙，但研究人員計算出當與GBN納米片相等的石墨烯和白色石墨烯混合時，該間隙將縮小至0.624電子伏特。

當在彈性狀態(tài)下變形時，陶瓷的帶隙下降，使材料更具導電性，但是當拉伸超過彈性時 - 即在塑性狀態(tài)下 - 它變得不那么導電。研究人員表示，這種轉變使其成為自我感知和結構健康監(jiān)測應用的有前途的材料。

研究人員建議使用二硫化鉬，二硒化鈮或層狀雙氫氧化物的其他二維片材可為可調諧多功能復合材料的自下而上設計提供類似的機會。“這將為水泥和混凝土加固提供一個基本平臺，盡可能小的尺寸，”Shahsavari說。