Experimentalisten die op zoek zijn naar sterke structurele materialen hebben vastgesteld dat nanokristallijne metalen, met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 100 nanometer, zijn sterker, harder en beter bestand tegen vermoeidheid dan grofkorrelige metalen. Ondanks deze kracht, nanokristallijne metalen ondergaan problematische vervormingen als reactie op belasting of verwarming. Daten, onderzoekers hebben geworsteld om het complexe samenspel van processen die tot deze vervormingen leiden, te verifiëren.

Nutsvoorzieningen, Zhaoxuan Wu en medewerkers van het A*STAR Institute of High Performance Computing in Singapore en de University of Pennsylvania, Verenigde Staten, hebben grootschalige moleculaire dynamica-simulaties gebruikt om de belangrijkste vervormingsmechanismen in nanokristallijne nikkel-nanodraden aan te tonen. Tot nu, deze mechanismen zijn onmogelijk waar te nemen in het laboratorium.

"Onze studie werd geïnspireerd door de convergentie van de steekproefomvang in experimenten en simulaties, " legt Wu uit. "Experimentalisten werken nu aan materialen op schalen van tientallen nanometers. Tegelijkertijd, toename van de computersnelheid stelt ons in staat om dergelijke materialen op vergelijkbare schalen te simuleren. Dit geeft ons de mogelijkheid om de vervorming van nanokristallijne metalen in detail te bestuderen, met minimale aannames."

Binnen hun simulaties, de onderzoekers maakten een virtueel monster van bulk nanokristallijn nikkel met een gemiddelde korrelgrootte van 12 nanometer, en 'uitgesneden' nanodraden met een diameter van 8 tot 57 nanometer. De onderzoekers waren vervolgens in staat om de virtuele nanodraden uit te rekken en los te laten bij een constante temperatuur terwijl ze de posities van individuele atomen volgden. Dit leverde enig detail op - op een ongekende atomaire schaal - over de veranderingen in de kristalconfiguraties toen de uitgerekte nanodraden plastische vervorming ondergingen en uiteindelijk knapten.

Vooral, de simulaties van een uitgerekte nanodraad toonden aan dat de spanningen tussen naburige atomen groot waren bij kristalkorrelgrenzen, maar verwaarloosbaar in de korrels of op de vrije oppervlakken. Deze spanningen leidden tot het verschuiven van korrelgrenzen, die al snel het totale falen veroorzaakte van dunne nanodraden met diameters vergelijkbaar met de korrelgrootte.

Bij dikkere draden, waar veel van de korrels werden beperkt door andere omringende korrels, er was minder grensverschuiving bij lage spanningen. Echter, bij hogere spanningen werden de korrelgrenzen uitgelijnd en ontstonden holtes tussen de kristalkorrels, uiteindelijk leidend tot mislukking (zie afbeelding).

"We denken dat de vervormingsanatomie die we hebben waargenomen representatief kan zijn voor een brede reeks nanokristallijne materialen, ", zegt Wu. "We zijn van plan om meer nanokristallijne metalen en legeringen te simuleren, inclusief monsters met onzuiverheden, die dichter bij laboratoriumomstandigheden zal zijn dan onze huidige studie van puur nanokristallijn nikkel."