Un estudio de A * STAR revela que los diseñadores de nanodispositivos basados ​​en vidrio metálico deben tener en cuenta los pequeños defectos en las estructuras de aleación para evitar fallas catastróficas impredecibles. Comprender cómo el vidrio metálico a nanoescala se fractura y falla cuando se somete a estrés externo es fundamental para mejorar su confiabilidad en dispositivos y compuestos.

Recientemente, Los investigadores han encontrado evidencia de que los defectos artificiales, minúsculas muescas talladas en la aleación, no afectan la resistencia general a la tracción del material. Pero otro trabajo ha demostrado que tales muescas pueden inducir la formación de grietas localizadas.

Mehdi Jafary-Zadeh y compañeros de trabajo del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento, en colaboración con investigadores de Estados Unidos, utilizó una combinación de experimentos físicos y simulaciones computacionales para estudiar la tolerancia a fallas a nanoescala con precisión en profundidad. Primero, los investigadores fabricaron vidrio metálico de níquel-fósforo en 'nanopilares' estrechos con pequeñas muescas y tapas terminales en forma de hongo que servían como agarraderas de tensión (ver imagen). Guiado por microscopía electrónica de barrido de alta resolución, sistemáticamente separaron las estructuras hasta que se agrietaron, una acción que se produjo constantemente en la zona con muescas, y con resistencias a fallas un 40 por ciento más bajas que las de los nanopilares intactos.

Luego, el equipo recurrió a simulaciones masivas de dinámica molecular para explicar estos resultados físicos. "La simulación de modos de falla en los vidrios metálicos nanopilares requirió una gran escala, modelos tridimensionales que contienen millones de átomos, ", dice Jafary-Zadeh." Realizar simulaciones a estas escalas es bastante abrumador, pero superamos este desafío con la ayuda del Centro de Recursos Computacionales A * STAR ".

Cuando los investigadores modelaron la tensión atómica durante el alargamiento de nanopilares, encontraron que las estructuras sin muescas fallaban a través de un tipo de deformación plástica conocida como bandas de corte. Sin embargo, las estructuras con muescas eran frágiles y fallaron debido a la propagación de grietas desde el punto de falla con resistencias a la tracción significativamente menores que las muestras sin muescas (ver video). Estas observaciones sugieren que la "insensibilidad a los defectos" puede no ser una característica general de los sistemas mecánicos a nanoescala.

"La teoría de la insensibilidad a los defectos postula que la resistencia de los materiales que son intrínsecamente frágiles o tienen modos de deformación plástica limitados se acerca a un límite teórico en la nanoescala, y no disminuye debido a fallas estructurales, "explica Jafary-Zadeh." Sin embargo, nuestros resultados muestran que la resistencia al fallo y la deformación en los nanosólidos amorfos dependen fundamentalmente de la presencia de defectos ".

Jafary-Zadeh señala que la excelente concordancia entre los resultados experimentales y las simulaciones es emocionante y demuestra cómo tales cálculos pueden cerrar la brecha de conocimiento entre la fractura mecánica macroscópica y los mecanismos correspondientes ocultos que tienen lugar en escalas atomísticas de tiempo y longitud.