Kristallina material har atomer som är snyggt uppradade i ett upprepande mönster. När de går sönder, att fel tenderar att börja vid en defekt, eller en plats där mönstret störs. Men hur går defektfria material sönder?

Tills nyligen, frågan var rent teoretisk; att göra ett defektfritt material var omöjligt. Nu när nanoteknologiska framsteg har gjort sådana material till verklighet, dock, forskare vid University of Pennsylvania och Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems har visat hur dessa defekter först bildas på vägen till misslyckande.

I en ny studie, publiceras i Naturmaterial , de sträckte defektfria nanotrådar av palladium, var och en tusen gånger tunnare än ett människohår, under hårt kontrollerade förhållanden. I motsats till konventionell visdom, de fann att sträckningskraften vid vilken dessa trådar misslyckades var oförutsägbar, förekommer inom ett intervall av värden som var starkare påverkade av omgivningstemperaturen än vad man tidigare trott.

Denna termiska osäkerhet i felgränsen tyder på att punkten där en felinducerande defekt först uppträder är på nanotrådens yta, där atomer beter sig på ett mer vätskeliknande sätt. Deras ökade rörlighet gör det mer sannolikt att de kommer att ordna om sig själva till början av en "linjedefekt, "som skär över nanotråden, får den att gå sönder.

Studien leddes av doktoranden Lisa Chen och docent Daniel Gianola vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science. Andra medlemmar av Gianolas labb, postdoktor Mo-Rigen He och doktoranden Jungho Shin, bidragit till studien. De samarbetade med Gunther Richter från Max Planck Institute for Intelligent Systems.

"Nanoteknik handlar inte bara om att göra saker mindre, Chen sa, "det handlar också om olika egenskaper som uppstår i material på nanoskala."

"När du gör dessa riktigt små strukturer, "Gianola sa, "de är ofta odlade nerifrån och upp, i en atom för atom, lager för lager process, och det kan ge dig en mycket mer orörd struktur än om du skulle ta ett stort metallblock och skära ner det. Dessutom, atomerna på ytan utgör en mycket större andel av det totala och kan kontrollera egenskaperna hos materialet i nanoskala."

Forskarna odlade palladium nanotrådar genom en ångavsättningsmetod vid hög temperatur, vilket gav varje atom tid och energi att röra sig tills den hittade sin föredragna plats i metallens kristallina struktur.

Spirar från ett underlag som grässtrån, teamet använde en mikroskopisk robotmanipulator för att mödosamt plocka av ledningarna och fästa dem på sin testplattform inuti ett elektronmikroskop.

Denna plattform, utvecklat i samarbete med Sandia National Laboratory, fungerar som en industriell mekanisk testmaskin på nanoskala. Svetsa en nanotråd till ett grepp fäst vid en serie lutande stänger som expanderar när de värms upp av en elektrisk ström, forskarna kunde sedan sträcka ut nanotråden på ett kontrollerat sätt. Genom att upprepade gånger öka spänningen till ett annat maximum och sänka den i samma takt, forskarna kunde peka ut när den första irreversibla deformationen i tråden inträffade.

"Bara att dra den tills den misslyckas säger dig inte exakt var och hur det misslyckandet började, "Gianola sa. "Vårt mål var att härleda punkten där den första av nanotrådens atomer börjar skifta från sina ursprungliga positioner och bilda en mobil defekt."

Beräkningsstudier antydde att denna punkt kunde avslöjas genom att studera temperaturberoendet av misslyckande. Frånvarande defektfria nanotrådar att köra fysiska experiment på, tidigare teorier och analyser antydde att förhållandet mellan temperatur och styrka var deterministiskt; att känna till temperaturen skulle göra det möjligt för en att uppskatta en nanotråds felgräns.

Genom att utföra sina töjningsexperiment vid olika temperaturer, forskarna kunde kartlägga dessa felpunkter. Förvånande, de fann att ledningarnas styrkor var spridda över en rad värden, även när den sträcks vid samma temperatur.

"Vi har kunnat verifiera, Chen sa, "genom experiment, och inte bara teori, att denna process är termiskt aktiverad, och att det finns en stor slumpmässighet i processen. Normalt kan man säga att ett bulkmaterial har en viss styrka vid en viss temperatur, men du måste ta ett annat tillvägagångssätt för att specificera styrkan på nanotråden. Beroende på temperaturen du oroar dig för, även fördelningen av styrkor kan variera drastiskt."

Att denna fördelning skedde över ett relativt stort värdeintervall innebar att den termiska aktiveringsbarriären, mängden energi som krävs för att starta kärnbildningen av den första defekten, var relativt låg. Att jämföra storleken på denna termiska aktiveringsbarriär med andra atomistiska mekanismer gav forskarna en viss inblick i vad som drev denna process.

"Diffusion av atomer på en yta, "Gianola sa, "är den enda mekanismen som har denna låga termiska aktiveringsbarriär. Ytdiffusion är atomer som hoppar runt, webbplats till webbplats, lite kaotiskt, nästan som en vätska. En palladiumatom som sitter inne i huvuddelen av tråden har 12 grannar, och måste bryta de flesta av dessa band för att flytta runt. Men en på ytan kanske bara har tre eller fyra att bryta."

Att förstå ursprunget till fördelningen av styrkor i nanostrukturer kommer att möjliggöra en mer rationell design av enheter.

"Tills nyligen, "Gianola sa, "det har varit väldigt svårt att göra defektfria nanotrådar. Men nu när vi kan, det finns en anledning att bry sig om hur de misslyckas. Deras styrkor är nästan tusen gånger vad du skulle få från bulkmaterialet med defekter - i detta experiment, vi observerade, så vitt vi vet, de högsta styrkorna som någonsin uppmätts i den kristallstrukturen av metall – så de kommer att vara attraktiva att använda i alla möjliga typer av enheter."