Materialevidenskab:Perfektion af defekten

Stærke metaller har en tendens til at være mindre duktile - medmindre metallet tilfældigvis er en ejendommelig form for kobber kendt som nanotvindet kobber. Krystalstrukturen af ​​nanotvindet kobber udviser mange tætsiddende afbrydelser i et ellers regulært atomarray. Disse afbrydelser, på trods af at det bliver kaldt "defekter", faktisk øge metalets styrke uden at reducere dets duktilitet, gør det attraktivt til applikationer såsom halvlederindretninger og tyndfilmbelægninger. Imidlertid, Forholdet mellem egenskaberne af disse defekter og egenskaberne ved de metaller, der indeholder defekter, er stadig uklart.

Nu, Zhaoxuan Wu og kolleger ved A*STAR Institute for High Performance Computing har nu udført en storstilet numerisk simulering, der kaster lys over dette forhold. Simuleringen adresserede nogle af deres tidligere, uforklarlige eksperimentelle data.

I 2009, forskerne havde observeret, at styrken af ​​nanovindet kobber nåede et maksimum, når størrelsen af ​​defekterne i dets krystalstruktur var omkring 15 nanometer. Når fejlene blev gjort mindre eller større, kobberets styrke faldt. Dette var i modstrid med den klassiske model, som forudsagde, at metallets styrke ville stige kontinuerligt, efterhånden som defektstørrelsen blev reduceret.

Wu og kolleger adresserede denne modsigelse ved at bruge en meget storstilet molekylær dynamiksimulering til at beregne, hvordan en nanotvindet kobberkrystal bestående af mere end 60 millioner atomer deformeres under tryk. De observerede, at dens deformation blev lettere af tre typer af mobile dislokationer i dens krystalstruktur. Væsentligt, de fandt ud af, at en af ​​disse tre former for forskydning, kaldet en 60° dislokation, interageret med defekter på en måde, der afhang af defektens størrelse.

De 60° dislokationer var i stand til at passere gennem små defekter på en kontinuerlig måde, skabe mange nye, stærkt mobile dislokationer, der blødgjorde kobberet. På den anden side, når de stødte på store fejl, et tredimensionelt dislokationsnetværk dannet, der fungerede som en barriere for efterfølgende dislokationsbevægelse, dermed styrke kobberet. Simuleringen forudsagde, at den kritiske defektstørrelse, der adskiller disse to adfærdsregimer, fandt sted ved 13 nanometer, meget tæt på den eksperimentelt målte værdi på 15 nanometer.

Resultaterne viser, at der er mange forskellige deformationsmekanismer, der forekommer i nanostrukturerede materialer som nanovindet kobber. At forstå hver enkelt af dem vil give forskere mulighed for at indstille materielle egenskaber - som Wu kommenterer:“F.eks. vi kunne indføre dislokationsbarrierer for at stoppe deres bevægelse, eller ændre defekte grænsefladeenergier for at ændre, hvordan de deformeres. ”Wu tilføjer, at det næste trin for hans forskerhold vil være at tage højde for mangfoldigheden i defektstørrelser inden for et enkelt materiale.