Een studie van A*STAR onthult dat ontwerpers van op metaalglas gebaseerde nano-apparaten rekening moeten houden met kleine gebreken in legeringsframes om onvoorspelbare catastrofale storingen te voorkomen. Begrijpen hoe metaalglas op nanoschaal breekt en faalt wanneer het wordt blootgesteld aan externe stress, is van cruciaal belang voor het verbeteren van de betrouwbaarheid ervan in apparaten en composieten.

Onlangs, onderzoekers hebben bewijs gevonden dat kunstmatige gebreken - minuscule inkepingen die in de legering zijn gesneden - de algehele treksterkte van het materiaal niet beïnvloeden. Maar ander werk heeft aangetoond dat dergelijke inkepingen de vorming van plaatselijke scheuren kunnen veroorzaken.

Mehdi Jafary-Zadeh en medewerkers van het A*STAR Institute of High Performance Computing, in samenwerking met onderzoekers in de Verenigde Staten, gebruikte een combinatie van fysieke experimenten en computersimulaties om de tolerantie voor fouten op nanoschaal met diepgaande precisie te bestuderen. Eerst, de onderzoekers fabriceerden nikkel-fosfor metaalglas tot smalle 'nanopilaren' met kleine inkepingen en paddestoelvormige eindkappen die dienden als spangrepen (zie afbeelding). Geleid door hoge resolutie scanning elektronenmicroscopie, ze trokken systematisch de structuren uit elkaar totdat ze barsten - een actie die consequent plaatsvond in de ingekeepte zone, en bij faalsterktes die 40 procent lager zijn dan die voor onfeilbare nanopijlers.

Het team wendde zich vervolgens tot enorme moleculaire dynamische simulaties om deze fysieke resultaten te verklaren. "Het simuleren van faalwijzen in de nanopijler metalen glazen vereiste grootschalige, driedimensionale modellen met miljoenen atomen, ", zegt Jafary-Zadeh. "Het uitvoeren van simulaties op deze schaal is behoorlijk ontmoedigend, maar we hebben deze uitdaging overwonnen met de hulp van het A*STAR Computational Resource Centre."

Toen de onderzoekers atomaire spanning tijdens nanopijlerverlenging modelleerden, ze ontdekten dat de niet-gekerfde structuren faalden via een plastische vorm van vervorming die bekend staat als shear banding. Echter, de ingekeepte structuren waren broos en faalden door scheurvoortplanting vanaf het breukpunt bij treksterkten die aanzienlijk kleiner waren dan de niet-gekerfde monsters (zie video). Deze waarnemingen suggereren dat 'foutongevoeligheid' misschien geen algemeen kenmerk is van mechanische systemen op nanoschaal.

"De theorie van ongevoeligheid voor fouten stelt dat de sterkte van materialen die intrinsiek bros zijn of beperkte plastische vervormingsmodi hebben, een theoretische limiet op nanoschaal benadert, en neemt niet af door structurele gebreken, " legt Jafary-Zadeh uit. "Echter, onze resultaten laten zien dat faalsterkte en vervorming in amorfe nanodeeltjes in grote mate afhankelijk zijn van de aanwezigheid van gebreken."

Jafary-Zadeh merkt op dat de uitstekende overeenkomst tussen experimentele resultaten en de simulaties opwindend is en laat zien hoe dergelijke berekeningen de kenniskloof tussen macroscopisch mechanisch breken en de verborgen overeenkomstige mechanismen die plaatsvinden op atomistische tijd- en lengteschalen kunnen overbruggen.