Les matériaux cristallins ont des atomes qui sont soigneusement alignés selon un motif répétitif. Quand ils cassent, que la défaillance a tendance à commencer par un défaut, ou un endroit où le modèle est perturbé. Mais comment les matériaux sans défaut se cassent-ils ?

Jusque récemment, la question était purement théorique; faire un matériau sans défaut était impossible. Maintenant que les progrès nanotechnologiques ont fait de ces matériaux une réalité, cependant, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents en Allemagne ont montré comment ces défauts se forment d'abord sur la voie de l'échec.

Dans une nouvelle étude, Publié dans Matériaux naturels , ils ont étiré des nanofils de palladium sans défaut, chacun mille fois plus fin qu'un cheveu humain, dans des conditions strictement contrôlées. Contrairement aux idées reçues, ils ont constaté que la force d'étirement à laquelle ces fils ont échoué était imprévisible, se produisant dans une gamme de valeurs qui étaient plus fortement influencées par la température ambiante qu'on ne le croyait auparavant.

Cette incertitude thermique dans la limite de défaillance suggère que le point où un défaut induisant une défaillance apparaît pour la première fois est à la surface du nanofil, où les atomes se comportent de manière plus liquide. Leur mobilité accrue les rend plus susceptibles de se réorganiser dans les débuts d'un "défaut de ligne, " qui coupe le nanofil, provoquant sa rupture.

L'étude a été dirigée par l'étudiante diplômée Lisa Chen et le professeur agrégé Daniel Gianola du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn. D'autres membres du laboratoire de Gianola, le chercheur postdoctoral Mo-Rigen He et l'étudiant diplômé Jungho Shin, contribué à l'étude. Ils ont collaboré avec Gunther Richter du Max Planck Institute for Intelligent Systems.

"La nanotechnologie ne consiste pas seulement à rendre les choses plus petites, " Chen a dit, "Il s'agit également de différentes propriétés qui surviennent dans les matériaux à l'échelle nanométrique."

« Quand vous faites ces très petites structures, " dit Gianola, "ils sont souvent cultivés de bas en haut, dans un atome par atome, processus couche par couche, et cela peut vous donner une structure beaucoup plus vierge que si vous deviez prendre un gros bloc de métal et le réduire. En outre, les atomes à la surface représentent une proportion beaucoup plus importante du total et peuvent contrôler les propriétés du matériau à l'échelle nanométrique."

Les chercheurs ont fait pousser des nanofils de palladium grâce à une méthode de dépôt en phase vapeur à haute température, qui a fourni à chaque atome le temps et l'énergie de se déplacer jusqu'à ce qu'il trouve sa place préférée dans la structure cristalline du métal.

Poussant d'un substrat comme des brins d'herbe, l'équipe a utilisé un manipulateur robotique microscopique pour arracher minutieusement les fils et les attacher à leur plate-forme de test à l'intérieur d'un microscope électronique.

Cette plate-forme, développé en collaboration avec Sandia National Laboratory, fonctionne comme une machine d'essais mécaniques industriels à l'échelle nanométrique. Souder un nanofil à une poignée fixée à une série de barres inclinées qui se dilatent lorsqu'elles sont chauffées par un courant électrique, les chercheurs pourraient alors étirer le nanofil de manière contrôlée. En augmentant à plusieurs reprises la tension à un maximum différent et en la réduisant au même rythme, les chercheurs ont pu déterminer le moment où la première déformation irréversible du fil s'est produite.

"Le simple fait de le tirer jusqu'à ce qu'il échoue ne vous dit pas exactement où et comment cet échec a commencé, " a déclaré Gianola. "Notre objectif était de déduire le point où le premier des atomes du nanofil commence à sortir de sa position d'origine et à former un défaut mobile."

Des études informatiques ont suggéré que ce point pourrait être révélé en étudiant la dépendance à la température de la défaillance. Absence de nanofils sans défaut sur lesquels effectuer des expériences physiques, des théories et analyses antérieures suggéraient que la relation entre la température et la résistance était déterministe; connaître la température permettrait d'estimer la limite de défaillance d'un nanofil.

En menant leurs expériences d'étirement à différentes températures, les chercheurs ont pu tracer ces points de défaillance. Étonnamment, ils ont trouvé les résistances des fils dispersées sur une plage de valeurs, même étiré à la même température.

"Nous avons pu vérifier, " Chen a dit, "par l'expérimentation, et pas seulement de la théorie, que ce processus est activé thermiquement, et qu'il y a un grand caractère aléatoire dans le processus. Normalement, vous pouvez dire qu'un matériau en vrac a une certaine résistance à une certaine température, mais vous devez adopter une approche différente pour spécifier la résistance du nanofil. Selon la température qui vous intéresse, même la répartition des forces peut varier considérablement."

Le fait que cette distribution se soit produite sur une plage de valeurs relativement large signifiait que la barrière d'activation thermique, la quantité d'énergie nécessaire pour amorcer la nucléation du premier défaut, était relativement faible. La comparaison de la taille de cette barrière d'activation thermique à d'autres mécanismes atomistiques a donné aux chercheurs un aperçu de ce qui conduisait ce processus.

"Diffusion d'atomes sur une surface, " dit Gianola, "est le seul mécanisme qui a cette faible barrière d'activation thermique. La diffusion de surface est des atomes qui sautillent, site à site, quelque peu chaotique, presque comme un fluide. Un atome de palladium situé à l'intérieur de la masse du fil a 12 voisins, et doit briser la plupart de ces liens pour se déplacer. Mais un en surface pourrait n'en avoir que trois ou quatre à casser."

Comprendre l'origine de la distribution des forces dans les nanostructures permettra une conception plus rationnelle des dispositifs.

"Jusque récemment, " dit Gianola, "Il a été très difficile de fabriquer des nanofils sans défaut. Mais maintenant que nous le pouvons, il y a une raison de se soucier de la façon dont ils échouent. Leurs forces sont près de mille fois supérieures à celles que vous obtiendriez d'un matériau en vrac présentant des défauts - dans cette expérience, nous avons observé, A notre connaissance, les résistances les plus élevées jamais mesurées dans cette structure cristalline de métal, elles seront donc attrayantes à utiliser dans toutes sortes d'appareils. "