Gli sperimentatori alla ricerca di materiali strutturali resistenti hanno stabilito che i metalli nanocristallini, che hanno granulometrie medie inferiori a 100 nanometri, sono più forti, più duro e resistente alla fatica rispetto ai metalli a grana più grossa. Nonostante questa forza, i metalli nanocristallini subiscono deformazioni problematiche in risposta al carico o al riscaldamento. Ad oggi, i ricercatori hanno faticato a verificare la complessa interazione dei processi che portano a queste deformazioni.

Ora, Zhaoxuan Wu e collaboratori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore e dell'Università della Pennsylvania, Stati Uniti, hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare su larga scala per dimostrare i principali meccanismi di deformazione nei nanofili di nichel nanocristallino. Fino ad ora, questi meccanismi sono stati impossibili da osservare in laboratorio.

"Il nostro studio è stato ispirato dalla convergenza della dimensione del campione in esperimenti e simulazioni, " spiega Wu. "Gli sperimentatori stanno ora lavorando su materiali su scale di decine di nanometri. Allo stesso tempo, l'aumento della velocità del computer ci consente di simulare tali materiali su scale simili. Questo ci dà l'opportunità di studiare in dettaglio la deformazione dei metalli nanocristallini, con ipotesi minime”.

All'interno delle loro simulazioni, i ricercatori hanno preparato un campione virtuale di nichel nanocristallino sfuso con una granulometria media di 12 nanometri, e nanofili "tagliati" con diametri da 8 a 57 nanometri. I ricercatori sono stati quindi in grado di allungare e rilasciare i nanofili virtuali a una temperatura costante mentre tracciavano le posizioni dei singoli atomi. Ciò ha fornito alcuni dettagli, su una scala atomica senza precedenti, sui cambiamenti nelle configurazioni dei cristalli quando i nanofili allungati hanno subito una deformazione plastica e alla fine si sono spezzati.

In particolare, le simulazioni di un nanofilo allungato hanno mostrato che i ceppi tra gli atomi vicini erano grandi ai bordi dei grani di cristallo, ma trascurabile all'interno dei grani o alle superfici libere. Questi ceppi hanno portato allo scorrimento dei bordi di grano, che ha rapidamente causato il fallimento totale di nanofili sottili con diametri simili alla dimensione del grano.

In fili più spessi, dove molti dei grani erano vincolati da altri grani circostanti, c'era meno scorrimento del confine a basse deformazioni. Però, a sollecitazioni più elevate i bordi dei grani si allineavano e apparivano dei vuoti tra i grani di cristallo, alla fine portando al fallimento (vedi immagine).

"Pensiamo che l'anatomia della deformazione che abbiamo osservato potrebbe essere rappresentativa di un ampio insieme di materiali nanocristallini, " dice Wu. "Abbiamo in programma di simulare più metalli e leghe nanocristallini, compresi campioni con impurità, che sarà più vicino alle condizioni di laboratorio rispetto al nostro attuale studio sul nichel nanocristallino puro".