De meeste materialen zullen breken wanneer een kracht wordt uitgeoefend op een onvolkomenheid in hun structuur, zoals een inkeping of dislocatie. Het gedrag van deze onvolkomenheden, en de resulterende breuk, verschillen aanzienlijk tussen kleine structuren, zoals nanodraden, en groter, bulkmaterialen. Echter, wetenschappers hadden geen volledig begrip van de precieze mechanica van nanodraadbreuken, gedeeltelijk als gevolg van inconsistent gedrag in experimenten. Deze inconsistenties zijn nu opgelost dankzij numerieke simulaties door Zhaoxuan Wu en zijn medewerkers van het A*STAR Institute for High Performance Computing, Singapore, en medewerkers in de VS.

De onderzoekers richtten zich op metalen nanodraden met een zogenaamde 'face-centered cubic kristalstructuur' omdat ze twee verschillende faalwijzen vertonen. Eerdere experimenten van andere groepen toonden aan dat deze nanodraden kunnen breken als gevolg van een ductiel proces, waarin een smalle nek soepel en continu wordt gevormd voordat deze faalt. Andere experimenten toonden aan dat het falen werd veroorzaakt door een brosse breuk, wat plotseling gebeurde. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, Simulaties op atoomschaal van deze experimenten voorspelden dat alleen ductiele insnoering zou moeten optreden.

Wu en collega's benaderden het probleem door te zoeken naar een reeks nanodraadparameters die ze konden gebruiken om het type storing te voorspellen. Ze gebruikten moleculaire dynamica-software om een ​​reeks cilindrische koperen nanodraden te simuleren met een diameter van 20 nanometer en lengtes variërend tussen 188 nanometer en 1, 503 nanometer. Ze 'sneden' een inkeping van 0,5 nanometer in het oppervlak van de nanodraad, die diende als een eerste vervorming, en vervolgens trekspanning aangebracht langs de lange as van de nanodraad.

Deze simulaties voorspelden dat lange nanodraden broos waren en abrupt zouden falen, terwijl korte nanodraden minder dan 1, Een lengte van 500 nanometer was ductiel en zou een soepele vervorming vertonen voordat het bezwijkt. Met andere woorden, zegt Wu, ze "falen gracieus". Eerdere nanodraadsimulaties konden deze twee regimes niet identificeren omdat de beschouwde nanodraadlengtes te kort waren. Het verschil in gedrag komt voort uit het feit dat, voor een bepaalde stam, lange nanodraden slaan een grotere hoeveelheid elastische energie op dan kortere draden.

Dankzij dit inzicht konden Wu en collega's een eenvoudige uitdrukking afleiden voor de lengte waarmee nanodraden schakelen tussen faalwijzen. Zowel deze uitdrukking, en de volledige simulatieresultaten, kwamen goed overeen met experimentele gegevens. De resultaten, zegt Wu, een openstaand wetenschappelijk probleem oplossen, en bieden een basistechniekprincipe voor het ontwerp van mechanische systemen op nanoschaal. Of het model nu van toepassing is op nanodraden met zeer kleine diameters, waar klassieke plasticiteitseffecten verloren beginnen te gaan, moet nog getest worden.