Molekylær dynamik simuleringer afslører mekanismer, hvorved metal nanotråde deformeres eller knækker under belastning

Eksperimentalister, der søger efter stærke strukturelle materialer, har fastslået, at nanokrystallinske metaller, som har gennemsnitlige kornstørrelser mindre end 100 nanometer, er stærkere, hårdere og mere modstandsdygtig over for træthed end grovkornede metaller. På trods af denne styrke, nanokrystallinske metaller gennemgår problematiske deformationer som reaktion på belastning eller opvarmning. Til dato, forskere har kæmpet for at verificere det komplekse samspil mellem processer, der fører til disse deformationer.

Nu, Zhaoxuan Wu og kolleger ved A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore og University of Pennsylvania, Forenede Stater, har brugt storskala molekylær dynamiksimuleringer til at demonstrere de vigtigste deformationsmekanismer i nanokrystallinske nikkel nanotråde. Indtil nu, disse mekanismer har været umulige at observere i laboratoriet.

"Vores undersøgelse var inspireret af konvergensen af ​​prøvestørrelse i eksperimenter og simuleringer, " forklarer Wu. "Eksperimentalister arbejder nu på materialer i skalaer på titusinder af nanometer. På samme tid, stigninger i computerhastighed giver os mulighed for at simulere sådanne materialer i lignende skalaer. Dette giver os mulighed for at studere deformationen af ​​nanokrystallinske metaller i detaljer, med minimale antagelser."

Inden for deres simuleringer, forskerne forberedte en virtuel prøve af bulk nanokrystallinsk nikkel med en gennemsnitlig kornstørrelse på 12 nanometer, og "skåret ud" nanotråde med diametre på 8 til 57 nanometer. Forskerne var derefter i stand til at strække og frigive de virtuelle nanotråde ved en konstant temperatur, mens de sporede individuelle atomers positioner. Dette gav nogle detaljer - i en hidtil uset atomskala - om ændringerne i krystalkonfigurationerne, da de strakte nanotråde undergik plastisk deformation og til sidst knækkede.

I særdeleshed, simuleringerne af en strakt nanotråd viste, at spændingerne mellem naboatomer var store ved krystalkorngrænser, men ubetydelig inden for kornene eller ved de frie overflader. Disse stammer førte til glidning af korngrænser, hvilket hurtigt forårsagede totalt svigt af tynde nanotråde med diametre svarende til kornstørrelsen.

I tykkere ledninger, hvor mange af kornene var begrænset af andre omgivende korn, der var mindre grænseglidning ved lave belastninger. Imidlertid, ved højere spændinger blev korngrænserne justeret, og hulrum opstod mellem krystalkornene, i sidste ende fører til fiasko (se billede).

"Vi tror, ​​at den deformationsanatomi, som vi observerede, kunne være repræsentativ for et bredt sæt af nanokrystallinske materialer, " siger Wu. "Vi planlægger at simulere flere nanokrystallinske metaller og legeringer, inklusive prøver med urenheder, som vil være tættere på laboratorieforhold end vores nuværende undersøgelse af rent nanokrystallinsk nikkel."