Il nanofilo di tungsteno presenta un fenomeno chiamato "gemellaggio" che gli consente di deformarsi sotto pressione senza rompersi, e per riprendere la sua forma quando il carico viene rimosso.
Per comprendere appieno come si comportano i nanomateriali, bisogna anche comprendere i meccanismi di deformazione su scala atomica che ne determinano la struttura e, perciò, loro forza e funzione.
Ricercatori dell'Università di Pittsburgh, Università Drexel, e Georgia Tech hanno progettato un nuovo modo di osservare e studiare questi meccanismi e, così facendo, hanno rivelato un fenomeno interessante in un materiale ben noto, tungsteno. Il gruppo è il primo ad osservare il gemellaggio di deformazione a livello atomico in nanocristalli di tungsteno cubici a corpo centrato (BCC).
Il team ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) e una sofisticata modellazione computerizzata per effettuare l'osservazione. Questo lavoro, pubblicato in Materiali della natura , rappresenta una pietra miliare nello studio in situ dei comportamenti meccanici dei nanomateriali.
Il gemellaggio delle deformazioni è un tipo di deformazione che, in combinazione con slittamento di lussazione, consente ai materiali di deformarsi in modo permanente senza rompersi. In fase di gemellaggio, il cristallo si riorienta, che crea una regione nel cristallo che è un'immagine speculare del cristallo originale. Il gemellaggio è stato osservato in metalli e leghe BCC su larga scala durante la deformazione. Però, se il gemellaggio si verifica nei nanomateriali BCC o meno è rimasto sconosciuto.
"Per ottenere una comprensione profonda della deformazione nei nanomateriali BCC, "Scott X. Mao, l'autore senior del documento, disse, "abbiamo combinato immagini e simulazioni su scala atomica per dimostrare che le attività di gemellaggio dominavano per la maggior parte delle condizioni di carico a causa della mancanza di altri meccanismi di deformazione a taglio nei reticoli BCC su scala nanometrica".
Il team ha scelto il tungsteno come un tipico cristallo BCC. L'applicazione più familiare del tungsteno è il suo utilizzo come filamenti per lampadine.
Una serie di immagini catturate dalla microscopia elettronica a trasmissione mostrano il fenomeno del gemellaggio che si verifica nel nanofilo di tungsteno.
L'osservazione del gemellaggio su scala atomica è stata effettuata all'interno di un TEM. Questo tipo di studio non era stato possibile in passato a causa delle difficoltà nel realizzare campioni BCC di dimensioni inferiori a 100 nanometri come richiesto dall'imaging TEM. Jiangwei Wang, uno studente laureato a Pitt e autore principale dell'articolo, sviluppato un modo intelligente per realizzare i nanofili di tungsteno BCC. Sotto un TEM, Wang ha saldato insieme due piccoli pezzi di singoli cristalli di tungsteno su nanoscala per creare un filo di circa 20 nanometri di diametro. Questo filo era abbastanza resistente da allungarsi e comprimersi mentre Wang osservava il fenomeno del gemellaggio in tempo reale.
Per comprendere meglio il fenomeno osservato dal team di Mao e Wang a Pitt, Christopher R. Weinberger, un assistente professore al Drexel's College of Engineering, sviluppato modelli informatici che mostrano il comportamento meccanico della nanostruttura di tungsteno, a livello atomico. La sua modellazione ha permesso alla squadra di vedere i fattori fisici in gioco durante il gemellaggio. Queste informazioni aiuteranno i ricercatori a teorizzare il motivo per cui si verifica nel tungsteno su scala nanometrica e a tracciare un percorso per esaminare questo comportamento in altri materiali BCC.
"Stiamo cercando di vedere se il nostro modello atomistico si comporta allo stesso modo del campione di tungsteno utilizzato negli esperimenti, che può poi aiutare a spiegare i meccanismi che gli permettono di comportarsi in quel modo, " Weinberger ha detto. "In particolare, vorremmo spiegare perché mostra questa capacità di gemellaggio come nanostruttura ma non come metallo sfuso".
In accordo con la modellazione di Weinberger, Ting Zhu, professore associato di ingegneria meccanica presso la Georgia Tech, ha lavorato con uno studente laureato, Zhi Zeng, condurre simulazioni al computer avanzate utilizzando la dinamica molecolare per studiare i processi di deformazione in 3-D.
La simulazione di Zhu ha rivelato che il comportamento "più piccolo è più forte" del tungsteno non è privo di inconvenienti quando si tratta di applicazioni.
I modelli al computer dimostrano il processo di gemellaggio nel nanofilo di tungsteno.
"Se riduci le dimensioni alla scala nanometrica, puoi aumentare la forza di diversi ordini o grandezza, " Zhu ha detto. "Ma il prezzo da pagare è una drastica diminuzione della duttilità.
Vogliamo aumentare la resistenza senza compromettere la duttilità nello sviluppo di questi metalli e leghe nanostrutturati. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo capire i meccanismi di controllo della deformazione".
Il meccanismo di gemellaggio, Mao ha aggiunto, contrasta con la saggezza convenzionale della plasticità controllata dalla nucleazione della dislocazione nei nanomateriali. I risultati dovrebbero motivare ulteriori indagini sperimentali e modellistiche sui meccanismi di deformazione in metalli e leghe su scala nanometrica, consentendo infine alla progettazione di materiali nanostrutturati di realizzare appieno la loro resistenza meccanica latente.
"La nostra scoperta della deformazione dominata dal gemellaggio apre anche la possibilità di migliorare la duttilità progettando strutture gemelle in cristalli BCC su nanoscala, " Disse Zhu.
