Les expérimentateurs à la recherche de matériaux structuraux solides ont établi que les métaux nanocristallins, qui ont des tailles moyennes de grains inférieures à 100 nanomètres, sont plus forts, plus durs et plus résistants à la fatigue que les métaux à gros grains. Malgré cette force, les métaux nanocristallins subissent des déformations problématiques en réponse au chargement ou au chauffage. À ce jour, les chercheurs se sont efforcés de vérifier l'interaction complexe des processus qui conduisent à ces déformations.

Maintenant, Zhaoxuan Wu et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing à Singapour et de l'Université de Pennsylvanie, États Unis, ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle pour démontrer les principaux mécanismes de déformation dans les nanofils de nickel nanocristallins. Jusqu'à maintenant, ces mécanismes ont été impossibles à observer en laboratoire.

"Notre étude a été inspirée par la convergence de la taille des échantillons dans les expériences et les simulations, " explique Wu. " Les expérimentateurs travaillent maintenant sur des matériaux à des échelles de dizaines de nanomètres. À la fois, l'augmentation de la vitesse des ordinateurs nous permet de simuler de tels matériaux à des échelles similaires. Cela nous donne l'occasion d'étudier en détail la déformation des métaux nanocristallins, avec des hypothèses minimales."

Dans leurs simulations, les chercheurs ont préparé un échantillon virtuel de nickel nanocristallin en vrac avec une taille de grain moyenne de 12 nanomètres, et des nanofils « découpés » d'un diamètre de 8 à 57 nanomètres. Les chercheurs ont ensuite pu étirer et libérer les nanofils virtuels à une température constante tout en suivant les positions des atomes individuels. Cela a fourni des détails - à une échelle atomique sans précédent - sur les changements dans les configurations cristallines lorsque les nanofils étirés subissaient une déformation plastique et finissaient par se casser.

En particulier, les simulations d'un nanofil étiré ont montré que les contraintes entre atomes voisins étaient importantes aux joints de grains cristallins, mais négligeable dans les grains ou sur les surfaces libres. Ces déformations ont conduit à des glissements de joints de grains, ce qui a rapidement provoqué l'échec total des nanofils minces de diamètres proches de la taille des grains.

Dans des fils plus épais, où de nombreux grains étaient contraints par d'autres grains environnants, il y avait moins de glissement aux limites aux faibles déformations. Cependant, à des déformations plus élevées, les joints de grains se sont alignés et des vides sont apparus entre les grains cristallins, menant éventuellement à l'échec (voir image).

"Nous pensons que l'anatomie de déformation que nous avons observée pourrait être représentative d'un large ensemble de matériaux nanocristallins, " dit Wu. "Nous prévoyons de simuler plus de métaux et d'alliages nanocristallins, y compris les échantillons avec des impuretés, qui sera plus proche des conditions de laboratoire que notre étude actuelle sur le nickel nanocristallin pur."