Sterke metalen hebben de neiging minder taai te zijn - tenzij het metaal toevallig een eigenaardige vorm van koper is die bekend staat als nanotwinned koper. De kristalstructuur van nanotwinned koper vertoont veel dicht bij elkaar gelegen onderbrekingen in een overigens regelmatige atomaire array. Deze onderbrekingen, ondanks dat het 'defecten' wordt genoemd, daadwerkelijk de sterkte van het metaal verhogen zonder de taaiheid te verminderen, waardoor het aantrekkelijk is voor toepassingen zoals halfgeleiderapparatuur en dunnefilmcoatings. Echter, de relatie tussen de eigenschappen van deze defecten en die van de metalen met defecten blijft onduidelijk.

Nutsvoorzieningen, Zhaoxuan Wu en medewerkers van het A*STAR Institute for High Performance Computing hebben nu een grootschalige numerieke simulatie uitgevoerd die licht werpt op deze relatie. De simulatie behandelde enkele van hun eerdere, onverklaarbare experimentele gegevens.

In 2009, de onderzoekers hadden waargenomen dat de sterkte van nanotwinned koper een maximum bereikte toen de grootte van de defecten in de kristalstructuur ongeveer 15 nanometer was. Wanneer de gebreken kleiner of groter werden gemaakt, de sterkte van het koper nam af. Dit was in tegenspraak met het klassieke model, die voorspelde dat de sterkte van het metaal voortdurend zou toenemen naarmate de grootte van het defect kleiner werd.

Wu en collega's losten deze tegenstelling op door met behulp van een zeer grootschalige moleculaire dynamica-simulatie te berekenen hoe een nanotwinned koperkristal bestaande uit meer dan 60 miljoen atomen onder druk vervormt. Ze merkten op dat de vervorming ervan werd vergemakkelijkt door drie soorten mobiele dislocaties in de kristalstructuur. aanzienlijk, ze ontdekten dat een van deze drie soorten dislocatie, een dislocatie van 60 ° genoemd, interactie met defecten op een manier die afhing van de grootte van het defect.

De dislocaties van 60 ° konden op een continue manier door kleine defecten gaan, het creëren van veel nieuwe, zeer mobiele dislocaties die het koper verzachtten. Anderzijds, wanneer ze grote gebreken tegenkwamen, een driedimensionaal dislocatienetwerk gevormd dat fungeerde als een barrière voor daaropvolgende dislocatiebeweging, waardoor het koper wordt versterkt. De simulatie voorspelde dat de kritische defectgrootte die deze twee gedragsregimes scheidde, plaatsvond bij 13 nanometer, zeer dicht bij de experimenteel gemeten waarde van 15 nanometer.

De resultaten laten zien dat er veel verschillende vervormingsmechanismen voorkomen in nanogestructureerde materialen zoals nanotwinned koper. Door elk van hen te begrijpen, kunnen wetenschappers materiaaleigenschappen afstemmen - zoals Wu opmerkt:"Bijvoorbeeld, we zouden dislocatiebarrières kunnen introduceren om hun beweging te stoppen, of verander de energie van de defectinterface om de manier waarop ze vervormen te veranderen.” Wu voegt eraan toe dat de volgende stap voor zijn onderzoeksteam zal zijn om rekening te houden met de diversiteit in defectgroottes binnen een enkel materiaal.