Miniaturiser les objets métalliques microscopiques tout en améliorant leur résistance est essentiel pour développer des dispositifs hautes performances qui intègrent une électronique de type transistor avec des composants mécaniques. Lorsque ces objets sont constitués de petits cristaux, ou céréales, tels que les nanopiliers polycristallins, leur comportement mécanique est difficile à prévoir car les grains varient en taille et en orientation. Des chercheurs du California Institute of Technology, ETATS-UNIS, et A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapour, ont maintenant déterminé l'impact de la miniaturisation et de la structure granulaire intrinsèque sur la déformation des cylindres de platine ultra-petits.

L'équipe a utilisé une approche expérimentale et informatique combinée pour combler le manque de connaissances entravant la production de dispositifs micro- et nano-électromécaniques fiables. Le membre de l'équipe Zhaoxuan Wu de l'IHPC explique que cette approche leur a permis de réduire la taille des échantillons expérimentaux à des dizaines de nanomètres. Cela leur a également permis de réaliser des simulations atomiques à grande échelle sur des nanostructures comparables, qui a fourni un moyen de lier directement la structure et les propriétés mécaniques. « Ceci est rarement réalisable dans de telles études, " note-t-il.

Les chercheurs ont d'abord généré un modèle en déposant un film polymère sur une surface de silicium recouverte d'or et en le perforant de trous cylindriques de taille nanométrique à micrométrique. Prochain, ils ont synthétisé les nanostructures métalliques dans ces trous à partir d'une solution de précurseur de platine. La dissolution du modèle a ensuite produit des nanopiliers qui présentaient des grains bien définis de tailles et de joints de grains similaires, ou des interfaces.

Des expériences de compression sur les nanostructures ont montré que les nanopiliers les plus minces restaient presque cylindriques sous basse pression mais s'affaiblissaient considérablement, et plié de façon irréversible, sous haute pression. En revanche, les nanopiliers plus larges présentaient une déformation plus douce et une défaillance retardée. Cette tendance « plus petit est plus faible » est contraire au sort observé pour les monocristaux métalliques :ils deviennent plus forts avec des diamètres plus petits. Wu et ses collègues ont également découvert que la réduction du nombre de grains sur le diamètre d'un nanopilier affaiblissait la structure.

En accord avec leurs résultats expérimentaux, les simulations numériques des chercheurs ont révélé que les nanopiliers compressés subissaient progressivement une déformation réversible puis irréversible (voir image). De plus, les simulations ont indiqué l'origine au sein des nanostructures des mouvements irréversibles de déformation et de dislocation. Les nanopiliers contiennent une densité élevée de joints de grains qui favorisent la formation de dislocations. Ces luxations, par lequel un type spécifique de déformation se développe, propager à travers un grain entier ou d'un grain à l'autre à l'intérieur des noyaux. Près de la surface du nanopilier, les grains glissent facilement les uns contre les autres pour créer des marches de la taille d'un atome, réduire la résistance du matériau.

« Nous étudions plus en détail les effets des défauts microstructuraux et des oxydations sur le comportement mécanique des nanomatériaux, " dit Wu.