Starka metaller har en tendens att vara mindre segbara - om inte metallen råkar vara en märklig form av koppar som kallas nanotvinnat koppar. Kristallstrukturen hos nanotvinnat koppar uppvisar många avstånd mellan varandra i en annars regelbunden atomgrupp. Dessa avbrott, trots att det kallas ”defekter”, faktiskt öka metallens styrka utan att minska dess formbarhet, vilket gör den attraktiv för applikationer som halvledaranordningar och tunnfilmsbeläggningar. Dock, förhållandet mellan egenskaperna hos dessa defekter och de hos metaller som innehåller defekter är fortfarande oklart.

Nu, Zhaoxuan Wu och medarbetare vid A*STAR Institute for High Performance Computing har nu utfört en storskalig numerisk simulering som belyser detta förhållande. Simuleringen tog upp några av deras tidigare, oförklarliga experimentella data.

År 2009, forskarna hade observerat att styrkan hos nanotvinnat koppar nådde ett maximum när storleken på defekterna i dess kristallstruktur var cirka 15 nanometer. När defekterna gjordes mindre eller större, kopparens styrka minskade. Detta motsäger den klassiska modellen, som förutspådde att metallens hållfasthet skulle öka kontinuerligt när defektstorleken minskades.

Wu och medarbetare tog itu med denna motsättning genom att använda en mycket storskalig molekylär dynamiksimulering för att beräkna hur en nanotvinnad kopparkristall bestående av mer än 60 miljoner atomer deformeras under tryck. De observerade att dess deformation underlättades av tre typer av mobila dislokationer i dess kristallstruktur. Betydande, de fann att en av dessa tre typer av förskjutning, kallas en 60 ° dislokation, interagerade med defekter på ett sätt som berodde på defektstorleken.

De 60 ° dislokationerna kunde passera genom små defekter på ett kontinuerligt sätt, skapar många nya, mycket rörliga dislokationer som mjukade koppar. Å andra sidan, när de stötte på stora defekter, ett tredimensionellt dislokationsnätverk bildat som fungerade som en barriär för efterföljande dislokationsrörelser, därmed stärker koppar. Simuleringen förutsade att den kritiska defektstorleken som skiljer dessa två beteenderegimer uppstod vid 13 nanometer, mycket nära det experimentellt uppmätta värdet på 15 nanometer.

Resultaten visar att det finns många olika deformationsmekanismer som förekommer i nanostrukturerade material som nanotvinnat koppar. Att förstå var och en av dem gör det möjligt för forskare att justera materialegenskaper - som Wu kommenterar:”Till exempel vi skulle kunna införa dislokationshinder för att stoppa deras rörelse, eller ändra defektgränssnittsenergier för att ändra hur de deformeras. ”Wu tillägger att nästa steg för hans forskargrupp blir att ta hänsyn till mångfalden i defektstorlekar inom ett enda material.