I metalli forti hanno la tendenza ad essere meno duttili, a meno che il metallo non sia una forma particolare di rame nota come rame nanotwinned. La struttura cristallina del rame nanotwinned mostra molte interruzioni ravvicinate in una matrice atomica altrimenti regolare. Queste interruzioni, nonostante siano definiti "difetti", aumentare effettivamente la resistenza del metallo senza ridurne la duttilità, rendendolo attraente per applicazioni come dispositivi a semiconduttore e rivestimenti a film sottile. Però, la relazione tra le proprietà di questi difetti e quelle dei metalli contenenti difetti rimane poco chiara.

Ora, Zhaoxuan Wu e colleghi dell'A*STAR Institute for High Performance Computing hanno ora eseguito una simulazione numerica su larga scala che fa luce su questa relazione. La simulazione ha affrontato alcuni dei loro precedenti, dati sperimentali inspiegabili.

Nel 2009, i ricercatori avevano osservato che la forza del rame nanotwinato raggiungeva il massimo quando la dimensione dei difetti nella sua struttura cristallina era di circa 15 nanometri. Quando i difetti sono stati resi più piccoli o più grandi, la forza del rame è diminuita. Ciò contraddiceva il modello classico, che prevedeva che la resistenza del metallo sarebbe aumentata continuamente man mano che la dimensione del difetto veniva ridotta.

Wu e i suoi collaboratori hanno affrontato questa contraddizione utilizzando una simulazione di dinamica molecolare su larga scala per calcolare come un cristallo di rame nanotwinato composto da oltre 60 milioni di atomi si deforma sotto pressione. Hanno osservato che la sua deformazione è stata facilitata da tre tipi di dislocazioni mobili nella sua struttura cristallina. In modo significativo, hanno scoperto che uno di questi tre tipi di lussazione, chiamata dislocazione di 60°, interagiva con i difetti in un modo che dipendeva dalla dimensione del difetto.

Le dislocazioni di 60° riuscivano a passare attraverso piccoli difetti in maniera continua, creando molti nuovi, dislocazioni altamente mobili che ammorbidivano il rame. D'altra parte, quando incontravano grossi difetti, una rete di dislocazione tridimensionale formata che fungeva da barriera per il successivo movimento di dislocazione, rafforzando così il rame. La simulazione ha previsto che la dimensione critica del difetto che separa questi due regimi di comportamento si è verificata a 13 nanometri, molto vicino al valore misurato sperimentalmente di 15 nanometri.

I risultati mostrano che ci sono molti diversi meccanismi di deformazione che si verificano in materiali nanostrutturati come il rame nanotwinned. Comprendere ciascuno di essi consentirà agli scienziati di mettere a punto le proprietà dei materiali, come commenta Wu:“Ad esempio, potremmo introdurre barriere di dislocazione per fermare il loro movimento, o modificare le energie dell'interfaccia dei difetti per modificare il modo in cui si deformano”. Wu aggiunge che il prossimo passo per il suo team di ricerca sarà tenere conto della diversità delle dimensioni dei difetti all'interno di un singolo materiale.