Объяснена двойственность механизма распада нанопроводов

Большинство материалов легко ломается при приложении силы к месту наибольшей концентрации дефектов вроде сдвигов и дислокаций. Поведение таких нерегулярностей (и вызываемый ими распад) в случае наноразмерных структур сильно отличается от того, что мы привыкли видеть у макроскопических объектов.

До сих пор учёным не удавалось до конца прояснить механизм, который приводит к распаду нанопроводов, в частности из-за их противоречивого поведения в экспериментах. Но усилия сотрудников Института высокопроизводительных вычислений (Сингапур), кажется, позволили разрешить эти противоречия, что следует из их отчёта в журнале Nano Letters.

Слева: только самый длинный нанопровод (1 503 нм) распался мгновенно, не проявив эффекта пластической деформации с вытягиванием. (Иллюстрация ACS.)

Авторы работы сконцентрировались на металлических нанопроводах с так называемой гранецентрированной кубической кристаллической решёткой, поскольку они демонстрируют сразу два типа распада. Более ранние эксперименты других научных групп показали, что такие нанопровода могут распадаться в результате дуктильного (пластического) процесса, при котором происходит постепенное и плавное образование «тонкой шеи» (как при растягивании куска пластилина или разогретого стекла), перед тем как нанопровод окончательно распадётся на две части. А в других опытах наблюдался распад, происходящий сразу, что характерно для хрупких твёрдых тел. Наконец, чтобы совсем отравить жизнь материаловедам, компьютерное моделирование, проведённое на атомном уровне, указало на существование только одного возможного механизма распада — дуктильного, через образование «тонкой шеи».

Прежде всего сингапурцы взялись за определение набора необходимых параметров, которые можно было использовать для точного предсказания типа распада в каждом конкретном случае. Для этого было проведено компьютерное моделирование процессов молекулярной динамики, протекающих в цилиндрических медных нанопроводах диаметром 20 нм и длиной от 188 до 1 503 нм. В качестве одного из параметров для расчёта было задано наличие начальной деформации в 0,5 нм на поверхности нанопровода; затем вдоль длинной оси проводка «прикладывалась» нагрузка на растяжение.

В результате было предсказано, что длинные нанопроводки хрупки и ломаются мгновенно, в то время как короткие, меньше 1 500 нм (так вот с чем связан выбор некруглых 1 503 нм), распадались медленно, с образованием «тонкой шеи». Очевидно, что моделирование не смогло предсказать оба возможных механизма, поскольку оперировало лишь короткими нанопроводами.

На наш взгляд, авторы напрасно не ввели ещё один параметр — диаметр нанопроводов. Общеизвестный факт (даже на бытовом уровне, не говоря уже о таких тонкостях, как возможный размер и тип дефекта кристаллической решётки): чем тоньше иголочка, тем она хрупче, а вот упругость присуща только в меру объёмным объектам. Может статься, что диаметр нанопровода окажется гораздо более важным параметром для предсказания вероятного механизма распада, чем его длина.

Подготовлено по материалам A*STAR Research.