Esempi di cedimenti in quattro diverse lunghezze di nanofili a causa di sollecitazioni di trazione. Sono mostrate solo le sezioni di nanofili vicino alla frattura. Un nanofilo corto (188 nanometri (nm)) si guasta in modo graduale, deformazione duttile (in alto). Un lungo (1, 503 nm) il nanofilo si guasta bruscamente a causa di un cedimento fragile o localizzato (in basso). Credito:2012 American Chemical Society
La maggior parte dei materiali si rompe quando viene applicata una forza a un'imperfezione nella loro struttura, come una tacca o una lussazione. Il comportamento di queste imperfezioni, e la conseguente rottura, differiscono notevolmente tra le piccole strutture, come i nanofili, e più grande, materiali sfusi. Però, gli scienziati non avevano una comprensione completa della meccanica precisa delle rotture dei nanofili, dovuto in parte al comportamento incoerente negli esperimenti. Queste incongruenze sono ora risolte grazie alle simulazioni numeriche di Zhaoxuan Wu e dei suoi collaboratori presso l'A*STAR Institute for High Performance Computing, Singapore, e collaboratori negli Stati Uniti.
I ricercatori si sono concentrati sui nanofili metallici con una cosiddetta "struttura cristallina cubica a facce centrate" perché mostrano due diverse modalità di guasto. Precedenti esperimenti di altri gruppi hanno mostrato che questi nanofili possono rompersi come risultato di un processo duttile, in cui un collo stretto si forma dolcemente e continuamente prima del fallimento. Altri esperimenti hanno mostrato che il fallimento è stato causato da una frattura fragile, che è successo all'improvviso. Per complicare ulteriormente le cose, simulazioni su scala atomica di questi esperimenti prevedevano che si sarebbe verificata solo la strozzatura duttile.
Wu e i suoi collaboratori hanno affrontato il problema cercando una serie di parametri dei nanocavi che potessero utilizzare per prevedere il tipo di guasto. Hanno utilizzato un software di dinamica molecolare per simulare una serie di nanofili di rame cilindrici con un diametro di 20 nanometri e lunghezze comprese tra 188 nanometri e 1, 503 nanometri. Hanno "tagliato" una tacca di 0,5 nanometri nella superficie del nanofilo, che serviva come deformazione iniziale, e quindi applicato uno sforzo di trazione lungo l'asse lungo del nanofilo.
Queste simulazioni prevedevano che i lunghi nanofili erano fragili e si sarebbero rotti improvvisamente, mentre i nanofili corti inferiori a 1, 500 nanometri di lunghezza erano duttili e avrebbero mostrato una deformazione regolare prima del fallimento. In altre parole, dice Wu, "falliscono con grazia". Le precedenti simulazioni di nanocavi non sono riuscite a identificare questi due regimi perché le lunghezze dei nanocavi considerate erano troppo corte. La differenza di comportamento deriva dal fatto che, per un dato ceppo, i nanofili lunghi immagazzinano una maggiore quantità di energia elastica rispetto ai fili più corti.
Questa intuizione ha permesso a Wu e ai suoi collaboratori di ricavare una semplice espressione per la lunghezza alla quale i nanofili passano da una modalità di guasto all'altra. Sia questa espressione, e i risultati completi della simulazione, dati sperimentali ben abbinati. I risultati, dice Wu, risolvere un problema scientifico in sospeso, e fornire un principio ingegneristico di base per la progettazione di sistemi meccanici su scala nanometrica. Se il modello si applica a nanofili con diametri molto piccoli, dove gli effetti di plasticità classica cominciano a perdersi, resta da provare.
