Les métaux forts ont tendance à être moins ductiles, à moins que le métal ne soit une forme particulière de cuivre connue sous le nom de cuivre nanojumelé. La structure cristalline du cuivre nanojumelé présente de nombreuses interruptions rapprochées dans un réseau atomique par ailleurs régulier. Ces interruptions, bien qu'on les qualifie de « défauts », en fait augmenter la résistance du métal sans réduire sa ductilité, ce qui le rend attrayant pour des applications telles que les dispositifs à semi-conducteurs et les revêtements en couches minces. Cependant, la relation entre les propriétés de ces défauts et celles des métaux contenant des défauts reste incertaine.

Maintenant, Zhaoxuan Wu et ses collègues de l'Institut A*STAR pour le calcul haute performance ont maintenant effectué une simulation numérique à grande échelle qui met en lumière cette relation. La simulation a abordé certains de leurs précédents, données expérimentales inexpliquées.

En 2009, les chercheurs avaient observé que la résistance du cuivre nanojumelé atteignait un maximum lorsque la taille des défauts de sa structure cristalline était d'environ 15 nanomètres. Lorsque les défauts ont été rendus plus petits ou plus grands, la force du cuivre a diminué. Cela contredit le modèle classique, qui prédisait que la résistance du métal augmenterait continuellement à mesure que la taille du défaut était réduite.

Wu et ses collègues ont résolu cette contradiction en utilisant une simulation de dynamique moléculaire à très grande échelle pour calculer comment un cristal de cuivre nanojumelé composé de plus de 60 millions d'atomes se déforme sous pression. Ils ont observé que sa déformation était facilitée par trois types de dislocations mobiles dans sa structure cristalline. Significativement, ils ont constaté que l'un de ces trois types de luxation, appelé luxation de 60°, interagissait avec les défauts d'une manière qui dépendait de la taille du défaut.

Les luxations à 60° ont pu traverser de petits défauts de manière continue, créer de nombreux nouveaux, dislocations très mobiles qui ramollissent le cuivre. D'autre part, lorsqu'ils rencontraient de gros défauts, un réseau de dislocation tridimensionnel formé qui a agi comme une barrière pour le mouvement de dislocation ultérieur, renforçant ainsi le cuivre. La simulation a prédit que la taille critique du défaut séparant ces deux régimes de comportement se produisait à 13 nanomètres, très proche de la valeur mesurée expérimentalement de 15 nanomètres.

Les résultats montrent qu'il existe de nombreux mécanismes de déformation différents se produisant dans les matériaux nanostructurés comme le cuivre nanojumelé. Comprendre chacun d'eux permettra aux scientifiques d'ajuster les propriétés des matériaux - comme le commente Wu :"Par exemple, nous pourrions introduire des barrières de dislocation pour arrêter leur mouvement, ou modifier les énergies d'interface des défauts pour changer leur façon de se déformer. » Wu ajoute que la prochaine étape pour son équipe de recherche sera de prendre en compte la diversité des tailles de défauts au sein d'un même matériau.