Het miniaturiseren van microscopisch kleine metalen objecten en het vergroten van hun sterkte is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten die transistorachtige elektronica integreren met mechanische componenten. Wanneer deze objecten uit kleine kristallen bestaan, of granen, zoals polykristallijne nanopilaren, hun mechanisch gedrag is moeilijk te voorspellen omdat de korrels variëren in grootte en oriëntatie. Onderzoekers van het California Institute of Technology, VS, en A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, hebben nu bepaald hoe miniaturisatie en intrinsieke korrelstructuur de vervorming van ultrakleine platinacilinders beïnvloeden.

Het team gebruikte een gecombineerde experimentele en computationele benadering om de kenniskloof te overbruggen die de productie van betrouwbare micro- en nano-elektromechanische apparaten belemmert. Teamlid Zhaoxuan Wu van IHPC legt uit dat ze dankzij deze aanpak de grootte van de experimentele monsters konden verkleinen tot tientallen nanometers. Het stelde hen ook in staat om grootschalige atomaire simulaties uit te voeren op vergelijkbare nanostructuren, die een middel verschafte om structuur en mechanische eigenschappen direct met elkaar te verbinden. "Dit is zelden haalbaar in dergelijke studies, " merkt hij op.

De onderzoekers genereerden eerst een sjabloon door een polymeerfilm op een met goud bedekt siliciumoppervlak te deponeren en deze te perforeren met cilindrische gaten van nano- tot micrometer-formaat. Volgende, ze synthetiseerden de metalen nanostructuren in deze gaten uit een platina-precursoroplossing. Het oplossen van de sjabloon produceerde vervolgens nanopilaren die goed gedefinieerde korrels van vergelijkbare grootte en korrelgrenzen vertoonden, of interfaces.

Compressie-experimenten op de nanostructuren toonden aan dat de dunste nanopilaren bijna cilindrisch bleven onder lage druk, maar dramatisch verzwakten, en onomkeerbaar gebogen, onder hoge druk. In tegenstelling tot, bredere nanopijlers vertoonden een soepelere vervorming en vertraagde uitval. Deze 'kleiner is zwakker'-trend is in strijd met het lot dat is waargenomen voor metallische eenkristallen:ze worden sterker met kleinere diameters. Wu en collega's ontdekten ook dat het verminderen van het aantal korrels over de diameter van een nanopilaar de structuur verzwakte.

In overeenstemming met hun experimentele resultaten, de numerieke simulaties van de onderzoekers onthulden dat de gecomprimeerde nanopilaren geleidelijk omkeerbare en daaropvolgende onomkeerbare vervorming ondergingen (zie afbeelding). Bovendien, de simulaties gaven de oorsprong aan binnen de nanostructuren van de onomkeerbare vervormings- en dislocatiebewegingen. De nanopilaren bevatten een hoge dichtheid van korrelgrenzen die de vorming van dislocaties bevorderen. Deze dislocaties, waardoor een bepaald type vervorming ontstaat, propageren over een hele korrel of van de ene korrel naar de andere in de kernen. Dicht bij het oppervlak van de nanopijler, de korrels schuiven gemakkelijk tegen elkaar om stappen ter grootte van een atoom te creëren, materiaalsterkte verminderen.

"We onderzoeken verder de effecten van microstructurele gebreken en oxidaties op het mechanische gedrag van nanomaterialen, ' zegt Wu.