I ricercatori della Johns Hopkins hanno scoperto che, nelle giuste condizioni, i materiali nanocristallini di nuova concezione mostrano un'attività sorprendente nei minuscoli spazi tra i cluster geometrici di atomi chiamati nanocristalli da cui sono fatti.

Questa constatazione, dettagliato di recente sulla rivista Scienza , è importante perché questi nanomateriali stanno diventando sempre più onnipresenti nella fabbricazione di microdispositivi e circuiti integrati. Il movimento nel regno atomico può influenzare le proprietà meccaniche di questi materiali futuristici, rendendoli più flessibili e meno fragili, e può alterare la durata della vita del materiale.

"Poiché produciamo dispositivi sempre più piccoli, abbiamo usato più materiali nanocristallini che hanno cristalliti molto più piccoli - ciò che gli scienziati dei materiali chiamano grani - e si ritiene che siano molto più forti, "ha detto Kevin Hemker, professore e cattedra di ingegneria meccanica presso la Whiting School of Engineering della Johns Hopkins e autore senior del Scienza articolo. "Ma dobbiamo capire di più su come si comportano questi nuovi tipi di componenti in metallo e ceramica, rispetto ai materiali tradizionali. Come prevediamo la loro affidabilità? Come potrebbero deformarsi questi materiali quando sono sottoposti a stress?"

Gli esperimenti condotti da un ex assistente di ricerca universitario e supervisionati da Hemker si sono concentrati su ciò che accade nelle regioni chiamate confini del grano. Un grano o cristallite è un minuscolo grappolo di atomi disposti in uno schema tridimensionale ordinato. Lo spazio irregolare o l'interfaccia tra due grani con diversi orientamenti geometrici è chiamato confine del grano. I bordi del grano possono contribuire alla resistenza di un materiale e aiutarlo a resistere alla deformazione plastica, un cambiamento permanente di forma. Si ritiene che i nanomateriali siano più resistenti dei metalli e della ceramica tradizionali perché possiedono grani più piccoli e, di conseguenza, hanno più bordi di grano.

Alla maggior parte degli scienziati è stato insegnato che questi bordi di grano non si muovono, una caratteristica che aiuta il materiale a resistere alla deformazione. Ma quando Hemker e i suoi colleghi hanno eseguito esperimenti su film sottili di alluminio nanocristallino, applicando un tipo di forza chiamata sforzo di taglio, hanno trovato un risultato inaspettato. "Abbiamo visto che i chicchi erano cresciuti più grandi, che può verificarsi solo se i confini si spostano, " Egli ha detto, "e la parte più sorprendente della nostra osservazione è stata che era lo stress da taglio che aveva causato lo spostamento dei confini".

"La vista originale, "Hemker ha detto, "era che questi confini erano come i muri all'interno di una casa. I muri e le stanze che creano non cambiano dimensione; l'unica attività è quella di persone che si muovono all'interno della stanza. Ma i nostri esperimenti hanno dimostrato che in questi nanomateriali, quando applichi un particolare tipo di forza, le stanze cambiano dimensione perché le pareti effettivamente si muovono."

La scoperta ha implicazioni per coloro che utilizzano film sottili e altri nanomateriali per realizzare circuiti integrati e sistemi microelettromeccanici, comunemente chiamati MEMS. Il movimento di confine mostrato da Hemker e dai suoi colleghi significa che i nanomateriali utilizzati in questi prodotti probabilmente possiedono più plasticità, maggiore affidabilità e minore fragilità, ma anche forza ridotta.

"Mentre ci muoviamo verso la realizzazione di cose di dimensioni molto più piccole, dobbiamo tener conto di come l'attività a livello atomico influenzi le proprietà meccaniche del materiale, " Ha detto Hemker. "Questa conoscenza può aiutare i produttori di microdispositivi a decidere la dimensione corretta per i loro componenti e può portare a previsioni migliori sulla durata dei loro prodotti".