La miniaturizzazione di oggetti metallici microscopici e il miglioramento della loro resistenza è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni che integrano l'elettronica simile a un transistor con i componenti meccanici. Quando questi oggetti sono costituiti da piccoli cristalli, o cereali, come nanopillars policristallini, il loro comportamento meccanico è difficile da prevedere perché i grani variano in dimensione e orientamento. Ricercatori del California Institute of Technology, STATI UNITI D'AMERICA, e A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, hanno ora determinato come la miniaturizzazione e la struttura granulare intrinseca influenzino la deformazione dei cilindri di platino ultra-piccoli.

Il team ha utilizzato un approccio combinato sperimentale e computazionale per superare il divario di conoscenze che ostacola la produzione di dispositivi micro e nanoelettromeccanici affidabili. Il membro del team Zhaoxuan Wu di IHPC spiega che questo approccio ha permesso loro di ridurre le dimensioni dei campioni sperimentali a decine di nanometri. Ha anche permesso loro di eseguire simulazioni atomiche su larga scala su nanostrutture comparabili, che ha fornito un mezzo per collegare direttamente struttura e proprietà meccaniche. "Questo è raramente ottenibile in tali studi, " fa notare.

I ricercatori hanno prima generato un modello depositando un film polimerico su una superficie di silicio rivestita d'oro e perforandolo con fori cilindrici di dimensioni da nano a micrometri. Prossimo, hanno sintetizzato le nanostrutture metalliche in questi fori da una soluzione precursore di platino. La dissoluzione del modello ha quindi prodotto nanopillari che mostravano grani ben definiti di dimensioni e bordi dei grani simili, o interfacce.

Gli esperimenti di compressione sulle nanostrutture hanno mostrato che i nanopilastri più sottili sono rimasti quasi cilindrici a bassa pressione ma si sono indeboliti drasticamente, e piegato irreversibilmente, sotto alta pressione. In contrasto, nanopillari più larghi hanno mostrato una deformazione più regolare e un cedimento ritardato. Questa tendenza "più piccolo è più debole" è contraria al destino osservato per i cristalli singoli metallici:diventano più forti con diametri più piccoli. Wu e colleghi hanno anche scoperto che la riduzione del numero di grani attraverso il diametro di un nanopilastro ha indebolito la struttura.

In accordo con i loro risultati sperimentali, le simulazioni numeriche dei ricercatori hanno rivelato che i nanopilastri compressi hanno gradualmente subito una deformazione reversibile e successiva irreversibile (vedi immagine). Inoltre, le simulazioni hanno indicato l'origine all'interno delle nanostrutture dei moti irreversibili di deformazione e dislocazione. I nanopillar contengono un'alta densità di bordi di grano che promuovono la formazione di dislocazioni. Queste dislocazioni, attraverso il quale si sviluppa uno specifico tipo di deformazione, propagarsi attraverso un intero grano o da un grano all'altro all'interno dei nuclei. Vicino alla superficie del nanopillar, i grani scivolano facilmente l'uno contro l'altro per creare gradini delle dimensioni di un atomo, riducendo la resistenza del materiale.

"Stiamo esaminando ulteriormente gli effetti dei difetti microstrutturali e delle ossidazioni sul comportamento meccanico dei nanomateriali, "dice Wu.