I materiali cristallini hanno atomi ordinatamente allineati in uno schema ripetuto. Quando si rompono, che il fallimento tende a iniziare da un difetto, o un luogo in cui il modello è interrotto. Ma come si rompono i materiali privi di difetti?

Fino a poco tempo fa, la domanda era puramente teorica; era impossibile realizzare un materiale privo di difetti. Ora che i progressi nanotecnologici hanno reso tali materiali una realtà, però, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania e del Max Planck Institute for Intelligent Systems in Germania hanno dimostrato come questi difetti si formino prima sulla strada del fallimento.

In un nuovo studio, pubblicato in Materiali della natura , hanno allungato nanofili di palladio privi di difetti, ognuna mille volte più sottile di un capello umano, in condizioni strettamente controllate. Contrariamente alla saggezza convenzionale, hanno scoperto che la forza di stiramento alla quale questi fili si rompevano era imprevedibile, verificandosi in un intervallo di valori che erano più fortemente influenzati dalla temperatura ambiente di quanto si credesse in precedenza.

Questa incertezza termica nel limite di guasto suggerisce che il punto in cui appare per la prima volta un difetto che induce il guasto è sulla superficie del nanofilo, dove gli atomi si comportano in modo più liquido. La loro maggiore mobilità rende più probabile che si riorganizzino all'inizio di un "difetto di linea, " che taglia il nanofilo, facendolo rompere.

Lo studio è stato condotto dalla studentessa laureata Lisa Chen e dal professore associato Daniel Gianola del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science. Altri membri del laboratorio di Gianola, ricercatore post-dottorato Mo-Rigen He e studente laureato Jungho Shin, contribuito allo studio. Hanno collaborato con Gunther Richter del Max Planck Institute for Intelligent Systems.

"La nanotecnologia non consiste solo nel rendere le cose più piccole, "Chen ha detto, "riguarda anche le diverse proprietà che emergono nei materiali su scala nanometrica".

"Quando realizzi queste strutture davvero piccole, "Gianola ha detto "sono spesso cresciuti dal basso verso l'alto, in un atomo per atomo, processo a strati, e questo può darti una struttura molto più incontaminata che se dovessi prendere un grosso blocco di metallo e tagliarlo. Inoltre, gli atomi sulla superficie costituiscono una proporzione molto maggiore del totale e possono controllare le proprietà del materiale su scala nanometrica".

I ricercatori hanno coltivato nanofili di palladio attraverso un metodo di deposizione di vapore ad alta temperatura, che forniva a ciascun atomo il tempo e l'energia per muoversi finché non trovava il suo punto preferito nella struttura cristallina del metallo.

Germogliando da un substrato come fili d'erba, il team ha utilizzato un manipolatore robotico microscopico per strappare faticosamente i fili e collegarli alla loro piattaforma di test all'interno di un microscopio elettronico.

Questa piattaforma, sviluppato in collaborazione con il Sandia National Laboratory, funziona come una macchina di prova meccanica industriale su scala nanometrica. Saldare un nanofilo a un'impugnatura attaccata a una serie di barre inclinate che si espandono quando riscaldate da una corrente elettrica, i ricercatori potrebbero quindi allungare il nanofilo in modo controllato. Aumentando ripetutamente la tensione fino a un massimo diverso e abbassandola alla stessa velocità, i ricercatori hanno potuto individuare quando si è verificata la prima deformazione irreversibile nel filo.

"Solo tirarlo finché non si guasta non ti dice esattamente dove e come è iniziato quel fallimento, " ha detto Gianola. "Il nostro obiettivo era quello di dedurre il punto in cui il primo degli atomi del nanofilo inizia a spostarsi dalle loro posizioni originali e forma un difetto mobile".

Studi computazionali hanno suggerito che questo punto potrebbe essere rivelato studiando la dipendenza dalla temperatura del guasto. Assenza di nanofili privi di difetti su cui eseguire esperimenti fisici, teorie e analisi precedenti suggerivano che la relazione tra temperatura e forza fosse deterministica; conoscere la temperatura consentirebbe di stimare il limite di guasto di un nanofilo.

Conducendo i loro esperimenti di stretching a varie temperature, i ricercatori sono stati in grado di tracciare questi punti di fallimento. Sorprendentemente, hanno trovato i punti di forza dei fili sparsi su una gamma di valori, anche se allungato alla stessa temperatura.

"Siamo stati in grado di verificare, "Chen ha detto, "attraverso l'esperimento, e non solo teoria, che questo processo è attivato termicamente, e che c'è una grande casualità nel processo. Normalmente si può dire che un materiale sfuso ha una certa resistenza a una certa temperatura, ma devi adottare un approccio diverso per specificare la forza del nanofilo. A seconda della temperatura che ti interessa, anche la distribuzione dei punti di forza può variare drasticamente".

Il fatto che questa distribuzione si verificasse in un intervallo di valori relativamente ampio significava che la barriera di attivazione termica, la quantità di energia necessaria per far ripartire la nucleazione del primo difetto, era relativamente basso. Il confronto delle dimensioni di questa barriera di attivazione termica con altri meccanismi atomistici ha fornito ai ricercatori alcune informazioni su ciò che stava guidando questo processo.

"Diffusione di atomi su una superficie, "Gianola ha detto "è l'unico meccanismo che ha questa bassa barriera di attivazione termica. La diffusione superficiale è costituita da atomi che saltellano intorno, da sito a sito, un po' caoticamente, quasi come un fluido. Un atomo di palladio seduto all'interno della massa del filo ha 12 vicini, e deve rompere la maggior parte di quei legami per muoversi. Ma uno in superficie potrebbe averne solo tre o quattro da rompere".

Comprendere l'origine della distribuzione dei punti di forza nelle nanostrutture consentirà una progettazione più razionale dei dispositivi.

"Fino a poco tempo fa, "Gianola ha detto "è stato molto difficile realizzare nanofili privi di difetti. Ma ora che possiamo, c'è un motivo per preoccuparsi di come falliscono. I loro punti di forza sono quasi mille volte quelli che otterresti dal materiale sfuso con difetti:in questo esperimento, abbiamo osservato, per quello che ci risulta, i più alti punti di forza mai misurati in quella struttura cristallina di metallo, quindi saranno attraenti da usare in tutti i tipi di dispositivi".