Forskere løser mysteriet om brud på nanotråde

De fleste materialer vil gå i stykker, når en kraft påføres en ufuldkommenhed i deres struktur - såsom et hak eller forskydning. Disse ufuldkommenheders adfærd, og den deraf følgende brud, adskiller sig markant mellem små strukturer, såsom nanotråde, og større, bulkmaterialer. Imidlertid, forskere manglede fuldstændig forståelse af den præcise mekanik ved brud på nanotråde, skyldes delvis inkonsekvent adfærd i eksperimenter. Disse uoverensstemmelser løses nu takket være numeriske simuleringer af Zhaoxuan Wu og hans kolleger ved A*STAR Institute for High Performance Computing, Singapore, og samarbejdspartnere i USA.

Forskerne fokuserede på metal nanotråde med en såkaldt 'ansigtscentreret kubisk krystalstruktur', fordi de udviser to forskellige fejltilstande. Tidligere forsøg fra andre grupper viste, at disse nanotråde kan gå i stykker som følge af en sej proces, hvor en smal hals dannes jævnt og kontinuerligt før svigt. Andre forsøg viste, at fejlen var forårsaget af en sprød fraktur, som skete pludselig. For at komplicere sagen yderligere, atomskala-simuleringer af disse eksperimenter forudsagde, at der kun skulle forekomme duktil halsudskæring.

Wu og kolleger nærmede sig problemet ved at søge efter et sæt nanotrådsparametre, som de kunne bruge til at forudsige fejltypen. De brugte molekylær dynamik software til at simulere en række cylindriske kobber nanotråde med en diameter på 20 nanometer og længder på mellem 188 nanometer og 1, 503 nanometer. De 'skærer' et hak på 0,5 nanometer ind i nanotrådsoverfladen, som tjente som en første deformation, og påførte derefter trækspænding langs nanotrådens lange akse.

Disse simuleringer forudsagde, at lange nanotråde var sprøde og ville fejle brat, mens korte nanotråde mindre end 1, 500 nanometer i længden var duktile og ville udvise en jævn deformation før fejl. Med andre ord, siger Wu, de "fejler yndefuldt". Tidligere nanotrådssimuleringer kunne ikke identificere disse to regimer, fordi de betragtede nanotrådslængder var for korte. Forskellen i adfærd skyldes, at, for en given stamme, lange nanotråde gemmer en større mængde elastisk energi end kortere ledninger.

Denne indsigt gav Wu og kolleger mulighed for at udlede et enkelt udtryk for, hvor længe nanotråde skifter mellem fejltilstande. Både dette udtryk, og de fulde simuleringsresultater, matchede eksperimentelle data godt. Resultaterne, siger Wu, løse et fremragende videnskabeligt problem, og tilvejebringe et grundlæggende teknikprincip for design af nanoskala mekaniske systemer. Uanset om modellen gælder for nanotråde med meget små diametre, hvor klassiske plasticitetseffekter begynder at gå tabt, mangler at blive testet.