De flesta material kommer att gå sönder när en kraft appliceras på en ofullkomlighet i deras struktur - såsom en skåra eller förskjutning. Beteendet hos dessa ofullkomligheter, och det resulterande brottet, skiljer sig markant mellan små strukturer, som nanotrådar, och större, bulkmaterial. Dock, forskare saknade fullständig förståelse för den exakta mekaniken för nanotrådbrott, delvis på grund av inkonsekvent beteende i experiment. Dessa inkonsekvenser är nu lösta tack vare numeriska simuleringar av Zhaoxuan Wu och hans medarbetare på A*STAR Institute for High Performance Computing, Singapore, och kollaboratörer i USA.

Forskarna fokuserade på metall nanotrådar med en så kallad "ansiktscentrerad kubisk kristallstruktur" eftersom de uppvisar två olika fellägen. Tidigare experiment från andra grupper visade att dessa nanotrådar kan gå sönder som ett resultat av en formbar process, där en smal hals formas jämnt och kontinuerligt innan fel. Andra experiment visade att felet orsakades av en spröd fraktur, som hände plötsligt. För att komplicera saken ytterligare, Simuleringar i atomskala av dessa experiment förutspådde att endast duktil inskärning skulle förekomma.

Wu och medarbetare närmade sig problemet genom att söka efter en uppsättning nanotrådsparametrar som de kunde använda för att förutsäga typen av fel. De använde mjukvara för molekylär dynamik för att simulera en serie cylindriska kopparnanotrådar med en diameter på 20 nanometer och längder mellan 188 nanometer och 1, 503 nanometer. De "skar" ett hack på 0,5 nanometer i nanotrådens yta, som fungerade som en första deformation, och applicerade sedan dragspänning längs nanotrådens långa axel.

Dessa simuleringar förutspådde att långa nanotrådar var spröda och skulle misslyckas abrupt, medan korta nanotrådar mindre än 1, 500 nanometer i längd var formbara och skulle uppvisa en jämn deformation före brott. Med andra ord, säger Wu, de "misslyckas graciöst". Tidigare nanotrådssimuleringar kunde inte identifiera dessa två regimer eftersom nanotrådslängderna var för korta. Skillnaden i beteende beror på det faktum att, för en given stam, långa nanotrådar lagrar en större mängd elastisk energi än kortare trådar.

Denna insikt gjorde det möjligt för Wu och medarbetare att härleda ett enkelt uttryck för längden vid vilken nanotrådar växlar mellan fellägen. Både detta uttryck, och de fullständiga simuleringsresultaten, matchade experimentella data väl. Resultaten, säger Wu, lösa en framstående vetenskaplig fråga, och tillhandahålla en grundläggande ingenjörsprincip för design av mekaniska system i nanoskala. Huruvida modellen gäller nanotrådar med mycket små diametrar, där klassiska plasticitetseffekter börjar gå förlorade, återstår att testa.