Los materiales cristalinos tienen átomos que están perfectamente alineados en un patrón repetitivo. Cuando se rompen que el fracaso tiende a comenzar en un defecto, o un lugar donde se interrumpe el patrón. Pero, ¿cómo se rompen los materiales sin defectos?

Hasta hace poco, la pregunta era puramente teórica; hacer un material libre de defectos era imposible. Ahora que los avances nanotecnológicos han hecho realidad estos materiales, sin embargo, Investigadores de la Universidad de Pensilvania y del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes de Alemania han demostrado cómo estos defectos se forman por primera vez en el camino hacia la falla.

En un nuevo estudio, publicado en Materiales de la naturaleza , estiraron nanocables de paladio sin defectos, cada uno mil veces más delgado que un cabello humano, bajo condiciones estrictamente controladas. Contrariamente a la sabiduría convencional, encontraron que la fuerza de estiramiento a la que fallaban estos cables era impredecible, ocurriendo en un rango de valores que estaban más fuertemente influenciados por la temperatura ambiente de lo que se creía anteriormente.

Esta incertidumbre térmica en el límite de falla sugiere que el punto donde aparece por primera vez un defecto inductor de falla es en la superficie del nanoalambre, donde los átomos se comportan de una manera más líquida. Su mayor movilidad hace que sea más probable que se reorganicen en el comienzo de un "defecto de línea, "que atraviesa el nanoalambre, haciendo que se rompa.

El estudio fue dirigido por la estudiante de posgrado Lisa Chen y el profesor asociado Daniel Gianola del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Otros miembros del laboratorio de Gianola, el investigador postdoctoral Mo-Rigen He y el estudiante de posgrado Jungho Shin, contribuido al estudio. Colaboraron con Gunther Richter del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes.

"La nanotecnología no se trata solo de hacer las cosas más pequeñas, "Chen dijo, "También se trata de las diferentes propiedades que surgen en los materiales a nanoescala".

"Cuando haces estas estructuras realmente pequeñas, "Gianola dijo, "a menudo se cultivan de abajo hacia arriba, en un átomo por átomo, proceso capa por capa, y eso puede darle una estructura mucho más prístina que si tuviera que tomar un gran bloque de metal y cortarlo. Además, los átomos de la superficie comprenden una proporción mucho mayor del total y pueden controlar las propiedades del material a nanoescala ".

Los investigadores cultivaron nanocables de paladio a través de un método de deposición de vapor a alta temperatura, lo que proporcionó a cada átomo el tiempo y la energía para moverse hasta encontrar su lugar preferido en la estructura cristalina del metal.

Brotando de un sustrato como briznas de hierba, El equipo utilizó un manipulador robótico microscópico para arrancar concienzudamente los cables y conectarlos a su plataforma de prueba dentro de un microscopio electrónico.

Esta plataforma, desarrollado en conjunto con el Laboratorio Nacional Sandia, funciona como una máquina de ensayo mecánica industrial a nanoescala. Soldar un nanoalambre a una empuñadura unida a una serie de barras inclinadas que se expanden cuando se calientan con una corriente eléctrica, los investigadores pudieron entonces estirar el nanoalambre de forma controlada. Al aumentar repetidamente el voltaje a un máximo diferente y reducirlo a la misma velocidad, los investigadores pudieron señalar cuándo ocurrió la primera deformación irreversible en el alambre.

"Simplemente tirar de él hasta que falle no te dice exactamente dónde y cómo comenzó ese fallo, ", Dijo Gianola." Nuestro objetivo era deducir el punto en el que el primero de los átomos del nanoalambre comienza a desplazarse de sus posiciones originales y forma un defecto móvil ".

Los estudios computacionales sugirieron que este punto podría revelarse al estudiar la dependencia de la temperatura de la falla. Ausencia de nanocables libres de defectos para realizar experimentos físicos, teorías y análisis anteriores sugirieron que la relación entre temperatura y fuerza era determinista; conocer la temperatura permitiría estimar el límite de falla de un nanocable.

Al realizar sus experimentos de estiramiento a diversas temperaturas, los investigadores pudieron trazar estos puntos de falla. Asombrosamente, encontraron las fortalezas de los cables dispersas en un rango de valores, incluso cuando se estira a la misma temperatura.

"Hemos podido verificar, "Chen dijo, "a través del experimento, y no solo teoría, que este proceso se activa térmicamente, y que hay una gran aleatoriedad en el proceso. Normalmente se puede decir que un material a granel tiene cierta resistencia a cierta temperatura, pero debe adoptar un enfoque diferente para especificar la resistencia del nanoalambre. Dependiendo de la temperatura que le preocupe, incluso la distribución de las fortalezas puede variar drásticamente ".

Que esta distribución ocurriera en un rango relativamente grande de valores significó que la barrera de activación térmica, la cantidad de energía necesaria para reactivar la nucleación del primer defecto, fue relativamente bajo. La comparación del tamaño de esta barrera de activación térmica con otros mecanismos atomísticos les dio a los investigadores una idea de lo que estaba impulsando este proceso.

"Difusión de átomos en una superficie, "Gianola dijo, "es el único mecanismo que tiene esta barrera de activación térmica baja. La difusión superficial consiste en átomos que saltan alrededor, Sitio a Sitio, algo caóticamente, casi como un fluido. Un átomo de paladio que se encuentra dentro de la mayor parte del cable tiene 12 vecinos, y tiene que romper la mayoría de esos lazos para moverse. Pero uno en la superficie puede tener sólo tres o cuatro para romper ".

Comprender el origen de la distribución de fuerzas en nanoestructuras permitirá un diseño más racional de dispositivos.

"Hasta hace poco, "Gianola dijo, "Ha sido muy difícil fabricar nanocables sin defectos. Pero ahora que podemos, hay una razón para preocuparse por cómo fracasan. Sus puntos fuertes son casi mil veces superiores a los que obtendría del material a granel con defectos; en este experimento, nosotros observamos, a nuestro conocimiento, las fortalezas más altas jamás medidas en esa estructura cristalina de metal, por lo que serán atractivas para usar en todo tipo de dispositivos ".