Uno de los principios básicos de la nanotecnología es que cuando haces cosas extremadamente pequeñas, un nanómetro tiene aproximadamente cinco átomos de ancho, 100, 000 veces más pequeños que el diámetro de un cabello humano, se volverán más perfectos.

"Perfecto en el sentido de que su disposición de átomos en el mundo real se parecerá más a un modelo idealizado, "dice el ingeniero de la Universidad de Vermont, Frederic Sansoz, "con cristales más pequeños, por ejemplo, oro o cobre:​​es más fácil tener menos defectos ".

Y eliminando los defectos en la interfaz que separa dos cristales, o granos, los expertos en nanotecnología han demostrado que es una estrategia poderosa para hacer materiales más fuertes, moldeado más fácilmente, y menos resistente a la electricidad, o una serie de otras cualidades buscadas por diseñadores y fabricantes.

Desde el 2004, cuando salió un artículo seminal en Ciencias , Los científicos de materiales se han entusiasmado con un arreglo especial de átomos en metales y otros materiales llamado "límite gemelo coherente" o CTB.

Basado en la teoría y el experimento, Estos límites gemelos coherentes a menudo se describen como "perfectos, "apareciendo como un perfectamente plano, plano de un átomo de espesor en modelos informáticos e imágenes de microscopio electrónico.

Durante la ultima decada, un cuerpo de literatura ha demostrado estos límites gemelos coherentes, que se encuentran a nanoescala dentro de la estructura cristalina de metales comunes como el oro, plata y cobre:​​son altamente efectivos para hacer materiales mucho más fuertes mientras mantienen su capacidad de sufrir cambios permanentes de forma sin romperse y aún permitiendo la fácil transmisión de electrones, un hecho importante para la fabricación de computadoras y otras aplicaciones electrónicas.

Pero una nueva investigación ahora muestra que los límites gemelos coherentes no son tan perfectos después de todo.

Un equipo de científicos incluido Sansoz, profesor de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Matemáticas de la UVM, y colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y otros lugares, escribir en la edición del 19 de mayo de Materiales de la naturaleza que los límites gemelos coherentes que se encuentran en el cobre "son inherentemente defectuosos".

Con un microscopio electrónico de alta resolución, utilizando una técnica más poderosa que nunca para examinar estos límites, encontraron pequeños escalones y curvaturas en forma de torceduras en lo que previamente se había observado como perfecto.

Aún más sorprendente, estas torceduras y otros defectos parecen ser la causa de la fuerza del límite gemelo coherente y otras cualidades deseables.

"Todo lo que hemos aprendido sobre estos materiales en los últimos 10 años tendrá que ser revisado con esta nueva información, "Sansoz dice

El experimento, dirigido por Morris Wang en el Lawrence Livermore Lab, aplicó una técnica de mapeo recientemente desarrollada para estudiar la orientación de los cristales de los CTB en el llamado cobre nanotwinned y "boom:reveló estos defectos, "dice Sansoz.

Este descubrimiento del mundo real se ajustó a los intrigantes hallazgos teóricos anteriores que Sansoz había estado haciendo con "simulaciones atomísticas" en una computadora. Los resultados del laboratorio enviaron a Sansoz de regreso a sus modelos de computadora, donde introdujo los defectos de "torcedura" recién descubiertos en sus cálculos. Usando el Centro de Computación Avanzada de Vermont de UVM, teóricamente confirmó que los defectos de torsión observados por el equipo de Livermore conducen a "procesos de deformación bastante ricos a escala atómica, " él dice, que no existen con límites gemelos perfectos.

Con el modelo de computadora, "encontramos una serie de mecanismos completamente nuevos, " él dice, por explicar por qué los límites gemelos coherentes añaden fuerza simultáneamente y, sin embargo, también permiten el estiramiento (lo que los científicos llaman "ductilidad a la tracción"), propiedades que suelen ser mutuamente excluyentes en los materiales convencionales.

"No teníamos idea de que existían tales defectos, "dice Sansoz." Hasta aquí para el límite de gemelos perfecto. Ahora los llamamos límites gemelos defectuosos ".

Durante varias décadas, Los científicos han buscado formas de reducir el tamaño de los granos cristalinos individuales dentro de los metales y otros materiales. Como una serie de diques o paredes dentro de la estructura más grande, los límites entre los granos pueden ralentizar el deslizamiento interno y ayudar a resistir las fallas. Generalmente, cuantos más de estos límites, más fuerte es el material.

Originalmente, Los científicos creían que los límites gemelos coherentes en los materiales eran mucho más confiables y estables que los límites de los granos convencionales. que están incoherentemente llenos de defectos. Pero la nueva investigación muestra que ambos podrían contener tipos similares de defectos a pesar de que las energías de los límites son muy diferentes.

"Comprender estas estructuras defectuosas es el primer paso para aprovechar al máximo estos CTB para fortalecer y mantener la ductilidad y la conductividad eléctrica de muchos materiales, Morris Wang dijo. "Comprender el comportamiento y los mecanismos de estos defectos ayudará a nuestro diseño de ingeniería de estos materiales para aplicaciones de alta resistencia".

Para Sansoz, este descubrimiento subraya un principio profundo, "Hay todo tipo de defectos en la naturaleza, " él dice, "con nanotecnología, estás tratando de controlar la forma en que se forman y se dispersan en la materia, y comprender su impacto en las propiedades. El punto de este artículo es que algunos defectos hacen que un material sea más fuerte ".