La mayoría de los materiales se romperán cuando se aplique una fuerza a una imperfección en su estructura, como una muesca o una dislocación. El comportamiento de estas imperfecciones, y la rotura resultante, difieren notablemente entre estructuras pequeñas, como nanocables, y más grande, grandes materiales. Sin embargo, los científicos carecían de una comprensión completa de la mecánica precisa de las roturas de los nanocables, debido en parte al comportamiento inconsistente en los experimentos. Estas inconsistencias ahora se resuelven gracias a las simulaciones numéricas de Zhaoxuan Wu y sus compañeros de trabajo en el Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento. Singapur, y colaboradores en Estados Unidos.

Los investigadores se centraron en nanocables metálicos con la denominada "estructura cristalina cúbica centrada en la cara" porque exhiben dos modos de falla diferentes. Experimentos anteriores de otros grupos demostraron que estos nanocables pueden romperse como resultado de un proceso dúctil, en el que se forma un cuello estrecho de manera suave y continua antes de fallar. Otros experimentos mostraron que la falla fue causada por una fractura frágil, que sucedió de repente. Para complicar aún más las cosas, Las simulaciones a escala de átomo de estos experimentos predijeron que solo se produciría un estrechamiento dúctil.

Wu y sus colaboradores abordaron el problema buscando un conjunto de parámetros de nanocables que pudieran usar para predecir el tipo de falla. Utilizaron software de dinámica molecular para simular una serie de nanocables cilíndricos de cobre con un diámetro de 20 nanómetros y longitudes que oscilan entre 188 nanómetros y 1, 503 nanómetros. 'Cortan' una muesca de 0,5 nanómetros en la superficie del nanocable, que sirvió como deformación inicial, y luego aplicó tensión de tracción a lo largo del eje largo del nanoalambre.

Estas simulaciones predijeron que los nanocables largos eran frágiles y fallarían abruptamente, mientras que los nanocables cortos son inferiores a 1, 500 nanómetros de longitud eran dúctiles y exhibían una deformación suave antes de fallar. En otras palabras, dice Wu, ellos "fallan con gracia". Las simulaciones anteriores de nanocables no lograron identificar estos dos regímenes porque las longitudes de nanocables consideradas eran demasiado cortas. La diferencia en el comportamiento resulta del hecho de que, para una cepa determinada, Los nanocables largos almacenan una mayor cantidad de energía elástica que los cables más cortos.

Esta información permitió a Wu y sus colaboradores derivar una expresión simple para la longitud a la que los nanocables cambian entre modos de falla. Tanto esta expresión, y los resultados completos de la simulación, coincidió bien con los datos experimentales. Los resultados, dice Wu, resolver un problema científico pendiente, y proporcionar un principio de ingeniería básico para el diseño de sistemas mecánicos a nanoescala. Si el modelo se aplica a nanocables con diámetros muy pequeños, donde los efectos de la plasticidad clásica comienzan a perderse, queda por probar.