En studie från A*STAR avslöjar att designers av metalliskt glasbaserade nanoenheter måste ta hänsyn till små brister i legeringsramverk för att undvika oförutsägbara katastrofala misslyckanden. Att förstå hur metalliskt glas i nanoskala spricker och misslyckas när det utsätts för yttre påfrestningar är avgörande för att förbättra dess tillförlitlighet i enheter och kompositer.

Nyligen, forskare har hittat bevis för att konstgjorda defekter - små skåror inskurna i legeringen - inte påverkar materialets totala draghållfasthet. Men annat arbete har visat att sådana skåror faktiskt kan inducera bildningen av lokala sprickor.

Mehdi Jafary-Zadeh och medarbetare från A*STAR Institute of High Performance Computing, i samarbete med forskare i USA, använde en kombination av fysiska experiment och beräkningssimuleringar för att studera feltolerans i nanoskala med djupgående precision. Först, forskarna tillverkade nickel-fosfor metalliskt glas till smala "nanopelare" med små skåror och svampformade ändlock som fungerade som spänningsgrepp (se bild). Styrd av högupplöst svepelektronmikroskopi, de drog systematiskt isär strukturerna tills de spricker - en åtgärd som konsekvent inträffade i den skårade zonen, och vid brottstyrkor 40 procent lägre än de för felfria nanopelare.

Teamet vände sig sedan till massiva simuleringar av molekylär dynamik för att förklara dessa fysiska resultat. "Simulering av fellägen i de metalliska glasögonen med nanopelare krävde storskalighet, tredimensionella modeller som innehåller miljontals atomer, " säger Jafary-Zadeh. "Att utföra simuleringar på dessa skalor är ganska skrämmande, men vi övervann denna utmaning med hjälp av A*STAR Computational Resource Centre."

När forskarna modellerade atomär töjning under nanopelarförlängning, de fann att strukturerna utan skåror misslyckades via en plastisk typ av deformation som kallas skjuvband. Dock, de skårade strukturerna var spröda och misslyckades genom sprickutbredning från bristningspunkten vid draghållfastheter som var betydligt mindre än de omärkta proverna (se video). Dessa observationer tyder på att "felokänslighet" kanske inte är en allmän egenskap hos mekaniska system i nanoskala.

"Teorin om bristfällighetskänslighet postulerar att styrkan hos material som i sig är spröda eller har begränsade plastiska deformationslägen närmar sig en teoretisk gräns på nanoskala, och minskar inte på grund av strukturella brister, " förklarar Jafary-Zadeh. "Men, våra resultat visar att brottstyrka och deformation i amorfa nanosolider är kritiskt beroende av förekomsten av brister."

Jafary-Zadeh noterar att den utmärkta överensstämmelsen mellan experimentella resultat och simuleringarna är spännande och visar hur sådana beräkningar kan överbrygga kunskapsgapet mellan makroskopisk mekanisk sprickbildning och de dolda motsvarande mekanismerna som äger rum på atomistiska tids- och längdskalor.