Dunne gouden draden die vaak worden gebruikt in high-end elektronische toepassingen zijn heerlijk flexibel en geleidend. Maar die eigenschappen zijn niet noodzakelijk van toepassing op dezelfde draden op nanoschaal.

Een nieuwe studie van Rice University vindt dat gouddraden van minder dan 20 nanometer breed onder stress "bros" kunnen worden. Het verschijnt in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Het artikel van Rice-materiaalwetenschapper Jun Lou en zijn laboratorium laat in microscopisch detail zien wat er gebeurt met nanodraden onder de soorten spanning die ze redelijkerwijs zouden ondergaan in, bijvoorbeeld, flexibele elektronica.

Hun techniek biedt de industrie een manier om te zien hoe nanodraden gemaakt van goud, zilver, tellurium, palladium en platina zullen waarschijnlijk standhouden in nano-elektronische apparaten van de volgende generatie.

Lou en zijn team hadden al vastgesteld dat metaaldraden unieke eigenschappen hebben op nanoschaal. Ze wisten dat dergelijke draden uitgebreide plastische vervorming ondergaan en vervolgens breken op zowel micro- als nanoschaal. In dat proces, materialen onder spanning vertonen "insnoering"; dat is, ze vervormen in een specifiek gebied en strekken zich vervolgens uit tot een punt voordat ze uiteindelijk breken.

"Goud is extreem kneedbaar, " zei Lou, een assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "Dat betekent dat je het kunt uitrekken, en het is bestand tegen zeer grote verplaatsingen.

"Maar in dit werk we ontdekten dat goud niet per se erg kneedbaar is op nanoschaal. Als we het op een iets andere manier benadrukken, we kunnen een defect vormen dat een tweeling wordt genoemd."

De term "twinning" komt van de spiegelachtige atomaire structuur van het defect, wat uniek is voor kristallen. "Op de grens de atomen aan de linker- en rechterkant spiegelen elkaar exact, " zei Lou. Tweelingen in nanodraden verschijnen als donkere lijnen over de draad onder een elektronenmicroscoop.

"Het materiaal is niet bepaald broos, zoals glas of keramiek, welke breuk zonder, of heel weinig, ductiliteit, "zei hij. "In dit geval, we noemen het broos, wat betekent dat het de ductiliteit aanzienlijk heeft verminderd. Er is nog wat, maar het breukgedrag is anders dan bij gewone insnoering."

Hun experimenten op 22 gouddraden van minder dan 20 nanometer omvatten de delicate bewerking om ze vast te klemmen aan een transmissie-elektronenmicroscoop / atoomkrachtmicroscoopmonsterhouder en ze vervolgens met constante laadsnelheden te trekken. Tweelingen verschenen onder de afschuifcomponent van de spanning, die atomen dwong te verschuiven op de plaats van oppervlaktedefecten en leidde tot een soort tektonische breuk op nanoschaal over de draad.

"Als je eenmaal dat soort schade-initiatieplaatsen hebt gevormd in de nanodraad, dan heb je veel minder ductiliteit. Het metaal zal voortijdig breken, " zei Lou. "We hadden niet verwacht dat zulke formaties met twee grenzen zulke diepgaande effecten zouden hebben."

Met de huidige technologie, het is bijna onmogelijk om de grijppunten aan weerszijden van de draad uit te lijnen, dus schuifkracht op de nanodraden was onvermijdelijk. "Maar dit soort laadmodus zal onvermijdelijk worden aangetroffen in de echte wereld, " zei hij. "We kunnen ons niet voorstellen dat alle nanodraden in een toepassing op een perfect uniaxiale manier zullen worden benadrukt."

Lou zei dat de resultaten belangrijk zijn voor fabrikanten die denken aan het gebruik van goud als een nanomechanisch element. "Realistisch, je zou een bepaalde spanningshoek buiten de as kunnen hebben, en als deze tweelingen zich vormen, je zou minder ductiliteit hebben dan je zou verwachten. Dan zouden de ontwerpcriteria moeten veranderen.

"Dat is eigenlijk de centrale boodschap van dit artikel:laat je niet misleiden door de traditionele definitie van 'ductiel, '" zei hij. "Op nanoschaal, dingen kunnen anders gebeuren."