Ingeniero mecánico Kevin Hemker, sentado entre modelos que representan cómo se empaquetan los átomos dentro de un grano individual en un material, sostiene una oblea de silicio sobre la que se han depositado muestras de película fina de aluminio nanocristalino. Crédito:Will Kirk / JHU
Los investigadores de Johns Hopkins han descubierto que, en las condiciones adecuadas, Los materiales nanocristalinos recientemente desarrollados exhiben una actividad sorprendente en los pequeños espacios entre los grupos geométricos de átomos llamados nanocristales a partir de los cuales están hechos.
Este descubrimiento, detallado recientemente en la revista Ciencias , es importante porque estos nanomateriales son cada vez más omnipresentes en la fabricación de microdispositivos y circuitos integrados. El movimiento en el reino atómico puede afectar las propiedades mecánicas de estos materiales futuristas, haciéndolos más flexibles y menos frágiles, y puede alterar la vida útil del material.
"A medida que fabricamos dispositivos cada vez más pequeños, Hemos estado utilizando más materiales nanocristalinos que tienen cristalitos mucho más pequeños, lo que los científicos llaman granos, y se cree que son mucho más fuertes. "dijo Kevin Hemker, profesor y presidente de Ingeniería Mecánica en la Escuela de Ingeniería Whiting de Johns Hopkins y autor principal de la Ciencias artículo. "Pero tenemos que entender más sobre cómo se comportan estos nuevos tipos de componentes metálicos y cerámicos, en comparación con los materiales tradicionales. ¿Cómo predecimos su fiabilidad? ¿Cómo podrían deformarse estos materiales cuando se someten a tensiones? "
Los experimentos realizados por un ex asistente de investigación de pregrado y supervisados por Hemker se centraron en lo que sucede en las regiones llamadas límites de grano. Un grano o cristalito es un pequeño grupo de átomos dispuestos en un patrón tridimensional ordenado. El espacio irregular o interfaz entre dos granos con diferentes orientaciones geométricas se denomina límite de grano. Los límites de grano pueden contribuir a la resistencia de un material y ayudarlo a resistir la deformación plástica, un cambio de forma permanente. Se cree que los nanomateriales son más fuertes que los metales y la cerámica tradicionales porque poseen granos más pequeños y, como resultado, tener más límites de grano.
A la mayoría de los científicos se les ha enseñado que estos límites de grano no se mueven, una característica que ayuda al material a resistir la deformación. Pero cuando Hemker y sus colegas realizaron experimentos con películas delgadas de aluminio nanocristalino, aplicando un tipo de fuerza llamada esfuerzo cortante, encontraron un resultado inesperado. "Vimos que los granos habían crecido más, que solo puede ocurrir si los límites se mueven, " él dijo, "y la parte más sorprendente de nuestra observación fue que fue el esfuerzo cortante lo que provocó que los límites se movieran".
"La vista original, "Hemker dijo, "fue que estos límites eran como las paredes dentro de una casa. Las paredes y las habitaciones que crean no cambian de tamaño; la única actividad es la de las personas que se mueven dentro de la habitación. Pero nuestros experimentos demostraron que en estos nanomateriales, cuando aplica un tipo particular de fuerza, las habitaciones cambian de tamaño porque las paredes se mueven ".
El descubrimiento tiene implicaciones para quienes usan películas delgadas y otros nanomateriales para hacer circuitos integrados y sistemas microelectromecánicos. comúnmente llamado MEMS. El movimiento de los límites mostrado por Hemker y sus colegas significa que los nanomateriales utilizados en estos productos probablemente posean más plasticidad, mayor fiabilidad y menor fragilidad, pero también fuerza reducida.
"A medida que avanzamos hacia la fabricación de cosas en tamaños mucho más pequeños, debemos tener en cuenta cómo la actividad a nivel atómico afecta las propiedades mecánicas del material, ", Dijo Hemker." Este conocimiento puede ayudar a los fabricantes de microdispositivos a decidir el tamaño adecuado para sus componentes y puede conducir a mejores predicciones sobre la duración de sus productos ".