Miniatyrisering av mikroskopiska metallföremål samtidigt som deras styrka förbättras är avgörande för att utveckla högpresterande enheter som integrerar transistorliknande elektronik med mekaniska komponenter. När dessa föremål består av små kristaller, eller spannmål, såsom polykristallina nanopelare, deras mekaniska beteende är svårt att förutsäga eftersom kornen varierar i storlek och orientering. Forskare från California Institute of Technology, USA, och A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, har nu bestämt hur miniatyrisering och inneboende granulär struktur påverkar deformationen av ultrasmå platinacylindrar.

Teamet använde en kombinerad experimentell och beräkningsmetod för att övervinna kunskapsklyftan som hindrar produktionen av pålitliga mikro- och nanoelektromekaniska enheter. Teammedlemmen Zhaoxuan Wu från IHPC förklarar att detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att minska storleken på experimentproverna till tiotals nanometer. Det gjorde det också möjligt för dem att utföra storskaliga atomsimuleringar på jämförbara nanostrukturer, vilket gav ett sätt att direkt koppla struktur och mekaniska egenskaper. "Detta är sällan möjligt i sådana studier, " konstaterar han.

Forskarna skapade först en mall genom att deponera en polymerfilm på en guldbelagd kiselyta och perforera den med cylindriska hål i nano- till mikrometerstorlek. Nästa, de syntetiserade metallnanostrukturerna i dessa hål från en platinaprekursorlösning. Upplösning av mallen producerade sedan nanopelare som visade väldefinierade korn av liknande storlekar och korngränser, eller gränssnitt.

Kompressionsexperiment på nanostrukturerna visade att de tunnaste nanopelarna förblev nästan cylindriska under lågt tryck men försvagades dramatiskt, och böjde sig oåterkalleligt, under högt tryck. I kontrast, bredare nanopelare uppvisade en jämnare deformation och fördröjt fel. Denna "mindre är svagare" trend strider mot det öde som observerats för metalliska enkristaller:de blir starkare med mindre diametrar. Wu och medarbetare fann också att en minskning av antalet korn över en nanopelares diameter försvagade strukturen.

I överensstämmelse med deras experimentella resultat, forskarnas numeriska simuleringar visade att de komprimerade nanopelarna gradvis genomgick reversibel och efterföljande irreversibel deformation (se bild). Dessutom, simuleringarna indikerade ursprunget inom nanostrukturerna för de irreversibla deformations- och dislokationsrörelserna. Nanopelarna innehåller en hög täthet av korngränser som främjar bildandet av dislokationer. Dessa förskjutningar, genom vilken en specifik typ av deformation utvecklas, föröka sig över ett helt korn eller från ett korn till ett annat inuti kärnorna. Nära nanopelarens yta, kornen glider lätt mot varandra för att skapa atomstora steg, minskar materialstyrkan.

"Vi undersöker ytterligare effekterna av mikrostrukturella brister och oxidationer på det mekaniska beteendet hos nanomaterial, säger Wu.