La plupart des matériaux se cassent lorsqu'une force est appliquée à une imperfection de leur structure, telle qu'une encoche ou une dislocation. Le comportement de ces imperfections, et la casse qui en résulte, diffèrent sensiblement entre les petites structures, comme les nanofils, et plus grand, matériaux en vrac. Cependant, les scientifiques manquaient de compréhension complète de la mécanique précise des ruptures de nanofils, en partie à cause d'un comportement incohérent dans les expériences. Ces incohérences sont désormais résolues grâce aux simulations numériques de Zhaoxuan Wu et de ses collaborateurs de l'A*STAR Institute for High Performance Computing, Singapour, et collaborateurs aux États-Unis.

Les chercheurs se sont concentrés sur les nanofils métalliques avec une soi-disant «structure cristalline cubique à faces centrées», car ils présentent deux modes de défaillance différents. Des expériences antérieures menées par d'autres groupes ont montré que ces nanofils peuvent se rompre à la suite d'un processus ductile, dans lequel un col étroit est formé en douceur et en continu avant la défaillance. D'autres expériences ont montré que la rupture était due à une rupture fragile, qui s'est produit soudainement. Pour compliquer encore les choses, les simulations à l'échelle atomique de ces expériences ont prédit que seule une striction ductile devrait se produire.

Wu et ses collègues ont abordé le problème en recherchant un ensemble de paramètres de nanofils qu'ils pourraient utiliser pour prédire le type de défaillance. Ils ont utilisé un logiciel de dynamique moléculaire pour simuler une série de nanofils de cuivre cylindriques d'un diamètre de 20 nanomètres et de longueurs comprises entre 188 nanomètres et 1, 503 nanomètres. Ils ont "coupé" une encoche de 0,5 nanomètre dans la surface du nanofil, qui a servi de déformation initiale, puis appliqué une contrainte de traction le long de l'axe long du nanofil.

Ces simulations prédisaient que les longs nanofils étaient fragiles et tomberaient en panne brusquement, tandis que les nanofils courts inférieurs à 1, 500 nanomètres de longueur étaient ductiles et présenteraient une déformation lisse avant rupture. En d'autres termes, dit Wu, ils « échouent gracieusement ». Les simulations précédentes de nanofils n'ont pas réussi à identifier ces deux régimes car les longueurs de nanofils considérées étaient trop courtes. La différence de comportement résulte du fait que, pour une souche donnée, les nanofils longs stockent une plus grande quantité d'énergie élastique que les fils plus courts.

Cette idée a permis à Wu et à ses collègues de dériver une expression simple pour la longueur à laquelle les nanofils basculent entre les modes de défaillance. Tant cette expression, et les résultats complets de la simulation, correspondait bien aux données expérimentales. Les résultats, dit Wu, résoudre un problème scientifique en suspens, et fournir un principe d'ingénierie de base pour la conception de systèmes mécaniques à l'échelle nanométrique. Que le modèle s'applique à des nanofils de très petits diamètres, où les effets de plasticité classiques commencent à se perdre, reste à tester.