Uno studio di A*STAR rivela che i progettisti di nanodispositivi a base di vetro metallico devono tenere conto di piccoli difetti nelle strutture in lega per evitare guasti catastrofici imprevedibili. Comprendere come il vetro metallico su scala nanometrica si rompe e si guasta quando sottoposto a stress esterno è fondamentale per migliorare la sua affidabilità in dispositivi e compositi.

Recentemente, i ricercatori hanno trovato prove che i difetti artificiali, minuscole tacche scavate nella lega, non influiscono sulla resistenza alla trazione complessiva del materiale. Ma altri lavori hanno dimostrato che tali intagli possono effettivamente indurre la formazione di crepe localizzate.

Mehdi Jafary-Zadeh e collaboratori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing, in collaborazione con ricercatori negli Stati Uniti, ha utilizzato una combinazione di esperimenti fisici e simulazioni computazionali per studiare la tolleranza ai difetti su scala nanometrica con una precisione approfondita. Primo, i ricercatori hanno fabbricato vetro metallico al nichel-fosforo in stretti "nanopillari" con minuscole tacche e cappucci terminali a forma di fungo che fungevano da prese di tensione (vedi immagine). Guidato dalla microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione, hanno sistematicamente smontato le strutture fino a quando non si sono incrinate, un'azione che si è verificata costantemente nella zona dentellata, e con forze di guasto inferiori del 40% rispetto a quelle dei nanopillar non difettosi.

Il team si è quindi rivolto a massicce simulazioni di dinamica molecolare per spiegare questi risultati fisici. "La simulazione delle modalità di guasto nei vetri metallici nanopillar richiedeva una vasta scala, modelli tridimensionali contenenti milioni di atomi, " dice Jafary-Zadeh. "Eseguire simulazioni a queste scale è piuttosto scoraggiante, ma abbiamo superato questa sfida con l'aiuto dell'A*STAR Computational Resource Centre."

Quando i ricercatori hanno modellato la deformazione atomica durante l'allungamento dei nanopilastri, hanno scoperto che le strutture prive di intaglio hanno ceduto tramite un tipo di deformazione plastica noto come bande di taglio. Però, le strutture dentellate erano fragili e si sono guastate a causa della propagazione della cricca dal punto del difetto a resistenze alla trazione significativamente inferiori rispetto ai campioni non dentellati (vedi video). Queste osservazioni suggeriscono che "l'insensibilità ai difetti" potrebbe non essere una caratteristica generale dei sistemi meccanici su scala nanometrica.

"La teoria dell'insensibilità ai difetti postula che la forza dei materiali che sono intrinsecamente fragili o che hanno modalità di deformazione plastica limitate si avvicina a un limite teorico su scala nanometrica, e non diminuisce a causa di difetti strutturali, " spiega Jafary-Zadeh. "Tuttavia, i nostri risultati mostrano che la resistenza alla rottura e la deformazione nei nanosolidi amorfi dipendono in modo critico dalla presenza di difetti".

Jafary-Zadeh osserva che l'eccellente accordo tra i risultati sperimentali e le simulazioni è entusiasmante e dimostra come tali calcoli possano colmare il divario di conoscenza tra la fratturazione meccanica macroscopica e i corrispondenti meccanismi nascosti che si verificano su scale di tempo e lunghezza atomistiche.