Uno dei principi di base della nanotecnologia è che quando si fanno cose estremamente piccole, un nanometro è largo circa cinque atomi, 100, 000 volte più piccoli del diametro di un capello umano:diventeranno più perfetti.

"Perfetto nel senso che la loro disposizione degli atomi nel mondo reale diventerà più simile a un modello idealizzato, ", afferma l'ingegnere Frederic Sansoz dell'Università del Vermont, "con cristalli più piccoli, ad esempio, oro o rame:è più facile avere meno difetti in essi."

Ed eliminando i difetti all'interfaccia che separa due cristalli, o cereali, è stato dimostrato dagli esperti di nanotecnologia come una potente strategia per rendere i materiali più resistenti, più facilmente modellabile, e meno resistente elettricamente, o una miriade di altre qualità ricercate da designer e produttori.

Dal 2004, quando un documento seminale è uscito in Scienza , gli scienziati dei materiali sono stati entusiasti di una speciale disposizione degli atomi nei metalli e in altri materiali chiamata "confine gemello coerente" o CTB.

Sulla base della teoria e dell'esperimento, questi confini gemelli coerenti sono spesso descritti come "perfetti, "apparire come un perfettamente piatto, piano dello spessore di un atomo in modelli al computer e immagini al microscopio elettronico.

Nell'ultima decade, un corpo di letteratura ha mostrato questi confini gemelli coerenti, trovati su scala nanometrica all'interno della struttura cristallina di metalli comuni come l'oro, argento e rame, sono molto efficaci nel rendere i materiali molto più resistenti pur mantenendo la loro capacità di subire un cambiamento permanente di forma senza rompersi e consentendo comunque una facile trasmissione di elettroni, un fatto importante per la produzione di computer e altre applicazioni elettroniche.

Ma una nuova ricerca ora mostra che i confini gemelli coerenti non sono poi così perfetti.

Un team di scienziati, compreso Sansoz, professore al College of Engineering and Mathematical Sciences dell'UVM, e colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory e altrove, scrivere nell'edizione del 19 maggio di Materiali della natura che i confini gemelli coerenti trovati nel rame "sono intrinsecamente difettosi".

Con un microscopio elettronico ad alta risoluzione, utilizzando una tecnica più potente di quanto sia mai stata usata per esaminare questi confini, hanno trovato minuscoli gradini e curvature in ciò che era stato precedentemente osservato come perfetto.

Ancora più sorprendente, questi nodi e altri difetti sembrano essere la causa della forza del confine gemello coerente e di altre qualità desiderabili.

"Tutto ciò che abbiamo appreso su questi materiali negli ultimi 10 anni dovrà essere rivisitato con queste nuove informazioni, "Sansoz dice

L'esperimento, guidato da Morris Wang al Lawrence Livermore Lab, applicato una tecnica di mappatura di nuova concezione per studiare l'orientamento dei cristalli di CTB nel cosiddetto rame nanotwinned e "boom:ha rivelato questi difetti, "dice Sansone.

Questa scoperta del mondo reale era conforme alle precedenti scoperte teoriche intriganti che Sansoz aveva fatto con "simulazioni atomistiche" su un computer. I risultati del laboratorio hanno rimandato Sansoz ai suoi modelli al computer dove ha introdotto nei suoi calcoli i difetti "kink" appena scoperti. Utilizzando il Vermont Advanced Computing Center di UVM, ha teoricamente confermato che i difetti di piega osservati dal team di Livermore portano a "processi di deformazione piuttosto ricchi su scala atomica, " lui dice, che non esistono con confini gemelli perfetti.

Con il modello informatico, "abbiamo trovato una serie di meccanismi completamente nuovi, " lui dice, per spiegare perché i confini gemelli coerenti aggiungono contemporaneamente forza e tuttavia consentono anche l'allungamento (ciò che gli scienziati chiamano "duttilità a trazione"), proprietà che di solito si escludono a vicenda nei materiali convenzionali.

"Non avevamo idea dell'esistenza di tali difetti, " dice Sansoz. "Questo è tutto per il confine gemello perfetto. Ora li chiamiamo confini gemelli difettosi".

Per diversi decenni, gli scienziati hanno cercato modi per ridurre le dimensioni dei singoli grani cristallini all'interno di metalli e altri materiali. Come una serie di dighe o muri all'interno della struttura più ampia, i confini tra i grani possono rallentare lo scorrimento interno e aiutare a resistere ai cedimenti. In genere, più di questi confini, più forte è il materiale.

Originariamente, gli scienziati credevano che i confini gemelli coerenti nei materiali fossero molto più affidabili e stabili dei confini di grano convenzionali, che sono incoerentemente pieni di difetti. Ma la nuova ricerca mostra che entrambi potrebbero contenere tipi simili di difetti nonostante energie di confine molto diverse.

"Comprendere queste strutture difettose è il primo passo per sfruttare appieno questi CTB per rafforzare e mantenere la duttilità e la conduttività elettrica di molti materiali, "Ha detto Morris Wang. "La comprensione del comportamento e dei meccanismi di questi difetti aiuterà la nostra progettazione ingegneristica di questi materiali per applicazioni ad alta resistenza".

Per Sansone, questa scoperta sottolinea un principio profondo, "Ci sono tutti i tipi di difetti in natura, " lui dice, "con le nanotecnologie, stai cercando di controllare il modo in cui si formano e si disperdono nella materia, e per comprendere il loro impatto sulle proprietà. Il punto di questo articolo è che alcuni difetti rendono un materiale più forte."