Une étude d'A*STAR révèle que les concepteurs de nanodispositifs à base de verre métallique doivent tenir compte de minuscules défauts dans les cadres en alliage pour éviter une défaillance catastrophique imprévisible. Comprendre comment le verre métallique à l'échelle nanométrique se fracture et se rompt lorsqu'il est soumis à une contrainte externe est essentiel pour améliorer sa fiabilité dans les dispositifs et les composites.

Récemment, les chercheurs ont trouvé des preuves que les défauts artificiels - de minuscules encoches sculptées dans l'alliage - n'affectent pas la résistance à la traction globale du matériau. Mais d'autres travaux ont montré que de telles entailles peuvent effectivement induire la formation de fissures localisées.

Mehdi Jafary-Zadeh et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing, en collaboration avec des chercheurs aux États-Unis, a utilisé une combinaison d'expériences physiques et de simulations informatiques pour étudier la tolérance aux défauts à l'échelle nanométrique avec une précision approfondie. D'abord, les chercheurs ont fabriqué du verre métallique nickel-phosphore en « nanopiliers » étroits portant de minuscules encoches et des embouts en forme de champignon qui servaient de poignées de tension (voir image). Guidé par microscopie électronique à balayage haute résolution, ils ont systématiquement séparé les structures jusqu'à ce qu'elles se fissurent - une action qui se produisait systématiquement au niveau de la zone entaillée, et à des résistances à la rupture inférieures de 40 % à celles des nanopiliers sans défaut.

L'équipe s'est ensuite tournée vers des simulations massives de dynamique moléculaire pour expliquer ces résultats physiques. « La simulation des modes de défaillance dans les verres métalliques nanopiliers nécessitait une grande échelle, modèles tridimensionnels contenant des millions d'atomes, ", déclare Jafary-Zadeh. "Réaliser des simulations à ces échelles est assez intimidant, mais nous avons surmonté ce défi avec l'aide du Centre de ressources informatiques A*STAR."

Lorsque les chercheurs ont modélisé la contrainte atomique pendant l'allongement des nanopiliers, ils ont découvert que les structures non entaillées se sont rompues via un type de déformation plastique connu sous le nom de bandes de cisaillement. Cependant, les structures entaillées étaient fragiles et se sont rompues par propagation de fissures à partir du point de défaut à des résistances à la traction nettement inférieures à celles des échantillons non entaillés (voir vidéo). Ces observations suggèrent que « l'insensibilité aux défauts » n'est peut-être pas une caractéristique générale des systèmes mécaniques à l'échelle nanométrique.

"La théorie de l'insensibilité aux défauts postule que la résistance des matériaux intrinsèquement fragiles ou ayant des modes de déformation plastique limités approche une limite théorique à l'échelle nanométrique, et ne diminue pas en raison de défauts structurels, " explique Jafary-Zadeh. " Cependant, nos résultats montrent que la résistance à la rupture et la déformation dans les nanosolides amorphes dépendent de manière critique de la présence de défauts."

Jafary-Zadeh note que l'excellent accord entre les résultats expérimentaux et les simulations est passionnant et démontre comment de tels calculs peuvent combler le fossé des connaissances entre la fracturation mécanique macroscopique et les mécanismes correspondants cachés se déroulant à des échelles de temps et de longueur atomistiques.