Experimentalister som letar efter starka strukturella material har fastställt att nanokristallina metaller, som har en genomsnittlig kornstorlek mindre än 100 nanometer, är starkare, hårdare och mer motståndskraftig mot utmattning än grövre korniga metaller. Trots denna styrka, nanokristallina metaller genomgår problematiska deformationer som svar på belastning eller uppvärmning. Hittills, forskare har kämpat för att verifiera det komplexa samspelet mellan processer som leder till dessa deformationer.

Nu, Zhaoxuan Wu och medarbetare vid A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore och University of Pennsylvania, Förenta staterna, har använt storskaliga simuleringar av molekylär dynamik för att demonstrera de viktigaste deformationsmekanismerna i nanokristallina nickel nanotrådar. Tills nu, dessa mekanismer har varit omöjliga att observera i labbet.

"Vår studie var inspirerad av konvergensen av provstorlek i experiment och simuleringar, " förklarar Wu. "Experimentalister arbetar nu med material i skalor av tiotals nanometer. På samma gång, ökningar i datorhastighet gör att vi kan simulera sådana material i liknande skalor. Detta ger oss en möjlighet att studera deformationen av nanokristallina metaller i detalj, med minimala antaganden."

Inom sina simuleringar, forskarna förberedde ett virtuellt prov av bulk nanokristallint nickel med en genomsnittlig kornstorlek på 12 nanometer, och "klipp ut" nanotrådar med diametrar på 8 till 57 nanometer. Forskarna kunde sedan sträcka ut och släppa de virtuella nanotrådarna vid en konstant temperatur samtidigt som de spårade positionerna för enskilda atomer. Detta gav en del detaljer - i en aldrig tidigare skådad atomskala - om förändringarna i kristallkonfigurationerna när de sträckta nanotrådarna genomgick plastisk deformation och så småningom gick av.

Särskilt, simuleringarna av en sträckt nanotråd visade att spänningarna mellan angränsande atomer var stora vid kristallkornsgränser, men försumbar inom kornen eller vid de fria ytorna. Dessa stammar ledde till glidning av korngränser, vilket snabbt orsakade totalt fel på tunna nanotrådar med diametrar som liknar kornstorleken.

I tjockare trådar, där många av kornen var begränsade av andra omgivande korn, det var mindre gränsglidning vid låga töjningar. Dock, vid högre spänningar blev korngränserna i linje och tomrum uppstod mellan kristallkornen, leder så småningom till misslyckande (se bild).

"Vi tror att deformationsanatomin som vi observerade kan vara representativ för en bred uppsättning av nanokristallina material, " säger Wu. "Vi planerar att simulera fler nanokristallina metaller och legeringar, inklusive prover med föroreningar, som kommer att vara närmare laboratorieförhållanden än vår nuvarande studie av rent nanokristallint nickel."