Los metales fuertes tienden a ser menos dúctiles, a menos que el metal sea una forma peculiar de cobre conocida como cobre nanotwinning. La estructura cristalina del cobre nanotwinning exhibe muchas interrupciones estrechamente espaciadas en una matriz atómica por lo demás regular. Estas interrupciones a pesar de que se denominan "defectos", aumentar realmente la resistencia del metal sin reducir su ductilidad, haciéndolo atractivo para aplicaciones tales como dispositivos semiconductores y recubrimientos de película delgada. Sin embargo, la relación entre las propiedades de estos defectos y las de los metales que contienen defectos sigue sin estar clara.

Ahora, Zhaoxuan Wu y sus compañeros de trabajo en el Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento ahora han realizado una simulación numérica a gran escala que arroja luz sobre esta relación. La simulación abordó algunos de sus anteriores, datos experimentales inexplicables.

En 2009, los investigadores habían observado que la resistencia del cobre nanotwinning alcanzaba un máximo cuando el tamaño de los defectos en su estructura cristalina era de unos 15 nanómetros. Cuando los defectos se hicieron más pequeños o más grandes, la fuerza del cobre disminuyó. Esto contradecía el modelo clásico, que predijo que la resistencia del metal aumentaría continuamente a medida que se redujera el tamaño del defecto.

Wu y sus colaboradores abordaron esta contradicción mediante el uso de una simulación de dinámica molecular a muy gran escala para calcular cómo un cristal de cobre de nanotwinning que consta de más de 60 millones de átomos se deforma bajo presión. Observaron que su deformación fue facilitada por tres tipos de dislocaciones móviles en su estructura cristalina. Significativamente, encontraron que uno de estos tres tipos de dislocación, llamada dislocación de 60 °, interactuó con los defectos de una manera que dependía del tamaño del defecto.

Las dislocaciones de 60 ° pudieron atravesar pequeños defectos de manera continua, creando muchos nuevos, dislocaciones altamente móviles que ablandaron el cobre. Por otra parte, cuando encontraron grandes defectos, se formó una red de dislocación tridimensional que actuó como una barrera para el movimiento de dislocación posterior, fortaleciendo así el cobre. La simulación predijo que el tamaño crítico del defecto que separa estos dos regímenes de comportamiento ocurre a 13 nanómetros, muy cerca del valor medido experimentalmente de 15 nanómetros.

Los resultados muestran que hay muchos mecanismos de deformación diferentes que ocurren en materiales nanoestructurados como el cobre nanotrendado. Comprender cada uno de ellos permitirá a los científicos ajustar las propiedades de los materiales, como comenta Wu:“Por ejemplo, podríamos introducir barreras de dislocación para detener su movimiento, o cambiar las energías de la interfaz del defecto para cambiar la forma en que se deforman ”. Wu agrega que el siguiente paso de su equipo de investigación será tener en cuenta la diversidad de tamaños de defectos dentro de un solo material.