(PhysOrg.com) -- Gli scienziati dei materiali sanno che la forza (o la debolezza) di un metallo è governata da interazioni di dislocazione, uno scambio disordinato di linee di faglia che si intersecano che si muovono o si increspano all'interno di cristalli metallici. Ma cosa succede quando i metalli vengono ingegnerizzati su scala nanometrica? C'è un modo per rendere i metalli più forti e più duttili manipolando le loro nanostrutture?

Gli scienziati della Brown University potrebbero aver trovato un modo. In un articolo pubblicato su Natura , Huajian Gao e ricercatori dell'Università dell'Alabama e della Cina segnalano un nuovo meccanismo che regola la forza di picco dei metalli nanostrutturati. Eseguendo simulazioni atomiche 3D di grani divisi di metalli nanostrutturati, Gao e il suo team hanno osservato che le dislocazioni si organizzano in modo altamente ordinato, motivi a forma di collana in tutto il materiale. La nucleazione di questo modello di dislocazione è ciò che determina la resistenza di picco dei materiali, riferiscono i ricercatori.

La scoperta potrebbe aprire la porta a una produzione più forte, metalli più duttili, ha detto Gao, professore di ingegneria alla Brown. "Questa è una nuova teoria che governa la forza nella scienza dei materiali, " ha aggiunto. "Il suo significato è che rivela un nuovo meccanismo di resistenza del materiale che è unico per i materiali nanostrutturati".

Dividi un granello di metallo usando una tecnica specializzata, e i pezzi possono rivelare confini all'interno del grano che gli scienziati chiamano confini gemelli. Questi sono generalmente piatti, superfici di cristallo che rispecchiano l'orientamento del cristallo su di esse. Gli autori cinesi hanno creato confini nanotwinned in rame e stavano analizzando lo spazio tra i confini quando hanno fatto un'osservazione interessante:il rame è diventato più forte quando lo spazio tra i confini è diminuito da 100 nanometri, raggiungendo infine un picco di forza a 15 nanometri. Però, quando la spaziatura è diminuita da 15 nanometri, il metallo si è indebolito.

"Questo è molto sconcertante, " disse Gao.

Quindi Gao e la studentessa Brown Xiaoyan Li hanno scavato un po' più a fondo. Gli scienziati Brown hanno riprodotto l'esperimento dei loro collaboratori in simulazioni al computer che coinvolgono 140 milioni di atomi. Hanno usato un supercomputer al National Institute for Computational Sciences in Tennessee, che ha permesso loro di analizzare i confini gemelli su scala atomica. Con loro sorpresa, videro un fenomeno completamente nuovo:un modello di dislocazione altamente ordinato controllato dalla nucleazione aveva preso piede e dettava la forza del rame. Il modello era caratterizzato da gruppi di atomi vicino al nucleo di dislocazione e assemblati in modo altamente ordinato, modelli simili a collane.

"Non si intralciano a vicenda. Sono molto organizzati, " disse Gao.

Dagli esperimenti e dalla modellazione al computer, i ricercatori teorizzano che su scala nanometrica, la nucleazione della dislocazione può diventare il principio guida per determinare la forza o la debolezza di un metallo. Gli autori hanno presentato una nuova equazione nel documento Nature per descrivere il principio.

"Il nostro lavoro fornisce per la prima volta un esempio concreto di un meccanismo di deformazione controllato dalla sorgente in materiali nanostrutturati e, come tale, ci si può aspettare che abbia un profondo impatto nel campo della scienza dei materiali, " disse Gao.