En av de grundläggande principerna för nanoteknik är att när du gör saker extremt små - en nanometer är ungefär fem atomer bred, 100, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår – de kommer att bli mer perfekta.

"Perfekt i den meningen att deras arrangemang av atomer i den verkliga världen kommer att bli mer som en idealiserad modell, " säger University of Vermont ingenjör Frederic Sansoz, "med mindre kristaller - i t.ex. guld eller koppar - det är lättare att ha färre defekter i dem."

Och eliminera defekterna vid gränssnittet som separerar två kristaller, eller spannmål, har visat sig av nanoteknikexperter vara en kraftfull strategi för att göra material starkare, lättare formas, och mindre elektriskt resistenta – eller en mängd andra kvaliteter som eftersöks av designers och tillverkare.

Sedan 2004, när det kom ut en ny papper Vetenskap , materialforskare har varit entusiastiska över ett speciellt arrangemang av atomer i metaller och andra material som kallas en "koherent tvillinggräns" eller CTB.

Baserat på teori och experiment, dessa sammanhängande tvillinggränser beskrivs ofta som "perfekta, "framstår som en perfekt platt, ett atomtjockt plan i datormodeller och elektronmikroskopbilder.

Under det senaste decenniet, en mängd litteratur har visat dessa sammanhängande tvillinggränser – som finns på nanoskala inom den kristallina strukturen av vanliga metaller som guld, silver och koppar - är mycket effektiva för att göra material mycket starkare samtidigt som de bibehåller sin förmåga att genomgå permanent förändring i form utan att gå sönder och fortfarande tillåter enkel överföring av elektroner - ett viktigt faktum för datortillverkning och andra elektroniktillämpningar.

Men ny forskning visar nu att sammanhängande tvillinggränser trots allt inte är så perfekta.

Ett team av forskare, inklusive Sansoz, professor vid UVM:s College of Engineering and Mathematical Sciences, och kollegor från Lawrence Livermore National Laboratory och på andra håll, skriva i 19 maj upplagan av Naturmaterial att sammanhängande tvillinggränser som finns i koppar "är i sig defekta".

Med ett högupplöst elektronmikroskop, med en kraftfullare teknik än någonsin använt för att undersöka dessa gränser, de hittade små kinkliknande steg och krökningar i vad som tidigare observerats som perfekt.

Ännu mer överraskande, dessa veck och andra defekter verkar vara orsaken till den sammanhängande tvillinggränsens styrka och andra önskvärda egenskaper.

"Allt vi har lärt oss om detta material under de senaste 10 åren kommer att behöva ses över med denna nya information, " säger Sansoz

Experimentet, ledd av Morris Wang vid Lawrence Livermore Lab, tillämpade en nyutvecklad kartläggningsteknik för att studera kristallorienteringen av CTBs i så kallad nanotvinnad koppar och "boom - det avslöjade dessa defekter, säger Sansoz.

Denna upptäckt i verkligheten överensstämde med tidigare spännande teoretiska fynd som Sansoz hade gjort med "atomistiska simuleringar" på en dator. Labbresultaten skickade Sansoz tillbaka till sina datormodeller där han introducerade de nyupptäckta "kink"-defekterna i sina beräkningar. Med hjälp av UVM:s Vermont Advanced Computing Center, han bekräftade teoretiskt att knäckdefekterna som observerades av Livermore-teamet leder till "ganska rika deformationsprocesser i atomär skala, " han säger, som inte existerar med perfekta tvillinggränser.

Med datormodellen, "vi hittade en serie helt nya mekanismer, " han säger, för att förklara varför koherenta tvillinggränser samtidigt ger styrka och ändå tillåter sträckning (vad forskare kallar "drag-duktilitet") - egenskaper som vanligtvis utesluter varandra i konventionella material.

"Vi hade ingen aning om att sådana defekter existerade, " säger Sansoz. "Så mycket för den perfekta tvillinggränsen. Vi kallar dem nu för defekta tvillinggränser."

I flera decennier, forskare har letat efter sätt att krympa storleken på enskilda kristallina korn i metaller och andra material. Som en serie vallar eller murar inom den större strukturen, gränserna mellan korn kan bromsa inre glidning och hjälpa till att motstå misslyckanden. Rent generellt, ju fler av dessa gränser – desto starkare är materialet.

Ursprungligen, forskare trodde att koherenta tvillinggränser i material var mycket mer tillförlitliga och stabila än konventionella korngränser, som är osammanhängande fulla av defekter. Men den nya forskningen visar att de båda kan innehålla liknande typer av defekter trots mycket olika gränsenergier.

"Att förstå dessa defekta strukturer är det första steget för att ta full användning av dessa CTB för att stärka och bibehålla duktiliteten och den elektriska ledningsförmågan hos många material, ", sa Morris Wang. "Att förstå beteendet och mekanismerna för dessa defekter kommer att hjälpa vår tekniska design av dessa material för höghållfasta applikationer."

För Sansoz, denna upptäckt understryker en djup princip, "Det finns alla möjliga defekter i naturen, " han säger, "med nanoteknik, du försöker kontrollera hur de bildas och sprids i materia, och att förstå deras inverkan på fastigheter. Poängen med detta papper är att vissa defekter gör ett material starkare."