I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory si sono tuffati fino alla scala atomica per risolvere ogni "oscillazione e oscillazione" del movimento atomico che è alla base della forza del metallo.

In una prima serie di simulazioni al computer incentrate sul tantalio metallico, la squadra ha previsto che, al raggiungimento di determinate condizioni critiche di sforzo, la plasticità del metallo (la capacità di cambiare forma sotto carico) incontra i suoi limiti. Un limite viene raggiunto quando i difetti cristallini noti come dislocazioni non sono più in grado di alleviare i carichi meccanici, e un altro meccanismo:il gemellaggio, o l'improvviso riorientamento del reticolo cristallino - si attiva e prende il sopravvento come modalità dominante della risposta dinamica.

La ricerca appare nell'edizione del 27 settembre di Natura come pubblicazione online anticipata.

Le proprietà di resistenza e plasticità di un metallo sono definite da dislocazioni, difetti di linea nel reticolo cristallino il cui movimento provoca lo scorrimento del materiale lungo i piani cristallini. La teoria della dislocazione dei cristalli è stata avanzata per la prima volta negli anni '30, e da allora molte ricerche si sono concentrate sulle interazioni di dislocazione e sul loro ruolo nell'indurimento dei metalli, in cui la continua deformazione aumenta la resistenza del metallo (proprio come un fabbro che batte sull'acciaio con un martello). Le stesse simulazioni suggeriscono fortemente che il metallo non può essere rafforzato per sempre.

"Prevediamo che il cristallo può raggiungere uno stato ultimo in cui scorre indefinitamente dopo aver raggiunto la sua massima forza, " disse Vasilij Bulatov, LLNL autore principale del documento. "Gli antichi fabbri lo sapevano intuitivamente perché il trucco principale che usavano per rafforzare le loro parti metalliche era di martellarle ripetutamente da diversi lati, proprio come facciamo nella nostra simulazione di impasto del metallo."

A causa dei severi limiti alla lunghezza e alle tempistiche accessibili, è stato a lungo ritenuto impossibile o addirittura impensabile utilizzare simulazioni atomistiche dirette per prevedere la resistenza del metallo. Sfruttando appieno le strutture HPC leader a livello mondiale di LLNL attraverso una sovvenzione del programma Computing Grand Challenge del laboratorio, il team ha dimostrato che non solo tali simulazioni sono possibili, ma forniscono una serie di importanti osservazioni sui meccanismi fondamentali della risposta dinamica e sui parametri quantitativi necessari per definire modelli di forza importanti per il programma di gestione delle scorte. La gestione delle scorte garantisce la sicurezza, sicurezza e affidabilità delle armi nucleari senza test.

"Possiamo vedere il reticolo cristallino in tutti i dettagli e come cambia attraverso tutte le fasi nelle nostre simulazioni di resistenza del metallo, " Ha detto Bulatov. "Un occhio allenato può individuare i difetti e persino caratterizzarli in una certa misura semplicemente guardando il reticolo. Ma l'occhio è facilmente sopraffatto dalla complessità emergente della microstruttura metallica, che ci ha spinto a sviluppare metodi precisi per rivelare i difetti dei cristalli che, dopo aver applicato le nostre tecniche, lascia solo i difetti mentre cancella completamente il restante reticolo cristallino privo di difetti (perfetto).

Il team di ricerca ha sviluppato le prime simulazioni atomistiche completamente dinamiche della risposta alla resistenza plastica del tantalio a cristallo singolo soggetto a deformazione ad alta velocità. A differenza degli approcci computazionali alla previsione della forza, le simulazioni di dinamica molecolare atomistica si basano solo su un potenziale di interazione interatomica, risolvere ogni "jiggle and wiggle" del movimento atomico e riprodurre la dinamica dei materiali in tutti i dettagli atomistici.