El nanoalambre de tungsteno exhibe un fenómeno llamado "hermanamiento" que le permite deformarse bajo presión sin romperse. y recuperar su forma cuando se retira la carga.
Para comprender completamente cómo se comportan los nanomateriales, También hay que entender los mecanismos de deformación a escala atómica que determinan su estructura y, por lo tanto, su fuerza y función.
Investigadores de la Universidad de Pittsburgh, Universidad de Drexel, y Georgia Tech han diseñado una nueva forma de observar y estudiar estos mecanismos y, al hacerlo, han revelado un fenómeno interesante en un material conocido, tungsteno. El grupo es el primero en observar el hermanamiento de deformaciones a nivel atómico en nanocristales de tungsteno cúbicos centrados en el cuerpo (BCC).
El equipo utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) de alta resolución y un sofisticado modelo informático para realizar la observación. Este trabajo, publicado en Materiales de la naturaleza , representa un hito en el estudio in situ de los comportamientos mecánicos de los nanomateriales.
El hermanamiento de deformaciones es un tipo de deformación que, junto con el deslizamiento de dislocación, permite que los materiales se deformen permanentemente sin romperse. En proceso de hermanamiento, el cristal reorienta, lo que crea una región en el cristal que es una imagen especular del cristal original. Se ha observado hermanamiento en metales y aleaciones BCC a gran escala durante la deformación. Sin embargo, se desconoce si el hermanamiento ocurre en los nanomateriales BCC o no.
"Para obtener un conocimiento profundo de la deformación en nanomateriales BCC, "Scott X. Mao, el autor principal del artículo, dijo, "Combinamos imágenes a escala atómica y simulaciones para mostrar que las actividades de hermanamiento dominaban la mayoría de las condiciones de carga debido a la falta de otros mecanismos de deformación por cizallamiento en las redes BCC a nanoescala".
El equipo eligió el tungsteno como un cristal BCC típico. La aplicación más conocida del tungsteno es su uso como filamentos para bombillas.
Una serie de imágenes capturadas por microscopía electrónica de transmisión muestra el fenómeno de hermanamiento que se produce en los nanocables de tungsteno.
La observación del hermanamiento a escala atómica se realizó dentro de un TEM. Este tipo de estudio no había sido posible en el pasado debido a las dificultades para hacer muestras de BCC de menos de 100 nanómetros de tamaño, como lo requieren las imágenes TEM. Jiangwei Wang, un estudiante graduado de Pitt y autor principal del artículo, desarrolló una forma inteligente de hacer los nanocables de tungsteno BCC. Bajo un TEM, Wang soldó dos pequeños trozos de cristales de tungsteno a nanoescala individuales para crear un alambre de unos 20 nanómetros de diámetro. Este cable era lo suficientemente resistente como para estirarse y comprimirse mientras Wang observaba el fenómeno de hermanamiento en tiempo real.
Para comprender mejor el fenómeno observado por el equipo de Mao y Wang en Pitt, Christopher R. Weinberger, profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de Drexel, desarrollaron modelos informáticos que muestran el comportamiento mecánico de la nanoestructura de tungsteno, a nivel atómico. Su modelo permitió al equipo ver los factores físicos en juego durante el hermanamiento. Esta información ayudará a los investigadores a teorizar por qué ocurre en tungsteno a nanoescala y trazar un curso para examinar este comportamiento en otros materiales de BCC.
"Estamos tratando de ver si nuestro modelo basado en atomización se comporta de la misma manera que la muestra de tungsteno utilizada en los experimentos, que luego puede ayudar a explicar los mecanismos que le permiten comportarse de esa manera, ", Dijo Weinberger." Específicamente, nos gustaría explicar por qué exhibe esta capacidad de hermanamiento como una nanoestructura pero no como un metal a granel ".
En concierto con el modelado de Weinberger, Ting Zhu, profesor asociado de ingeniería mecánica en Georgia Tech, trabajó con un estudiante de posgrado, Zhi Zeng, para realizar simulaciones informáticas avanzadas utilizando dinámica molecular para estudiar procesos de deformación en 3-D.
La simulación de Zhu reveló que el comportamiento de "más pequeño es más fuerte" del tungsteno no está exento de inconvenientes cuando se trata de aplicaciones.
Los modelos informáticos demuestran el proceso de hermanamiento en nanocables de tungsteno.
"Si reduce el tamaño a la escala nanométrica, puede aumentar la fuerza en varios órdenes o magnitudes, ", Dijo Zhu." Pero el precio que paga es una disminución dramática en la ductilidad.
Queremos aumentar la resistencia sin comprometer la ductilidad en el desarrollo de estos metales y aleaciones nanoestructurados. Para alcanzar este objetivo, necesitamos entender los mecanismos de control de deformación ".
El mecanismo de hermanamiento, Mao agregó, contrasta con la sabiduría convencional de la plasticidad controlada por nucleación de dislocaciones en nanomateriales. Los resultados deberían motivar una mayor investigación experimental y de modelado de los mecanismos de deformación en metales y aleaciones a nanoescala. en última instancia, permite que el diseño de materiales nanoestructurados se dé cuenta de su resistencia mecánica latente.
"Nuestro descubrimiento de la deformación dominada por el hermanamiento también abre posibilidades de mejorar la ductilidad mediante la ingeniería de estructuras gemelas en cristales BCC a nanoescala, "Dijo Zhu.
