Tugevatel metallidel on kombeks olla vähem painduvad – kui just selleks metalliks pole vase eriskummaline vorm, mida teatakse nano-kaksikkristall vasena. Selle metalli kristallilises struktuuris esineb mitmeid teineteisele lähedal asetsevaid katkestusi muidu korrastatus aatomvõres. Ehkki neid nimetatakse defektideks, tõstavad katkestused metalli tugevust ilma selle painduvust vähendamata. See omadus muudab metalliahvatlevaks mitmete rakenduste tarbeks, näiteks pooljuhtseadmete ja õhukeste kilede valmistamisel. Sellegipoolest jääb nende defektide omaduste ja defekte sisaldavate metallide omaduste vaheline suhe ebaselgeks.
Hiljuti viis Zhaoxuan Wu koos kolleegidega A*STAR’i kõrge sooritusvõimega arvutustehnika instituudist läbi suureskaalalise numbrilise simulatsiooni, mis annab teavet eelmainitud suhte kohta. Simulatsioon oli suunatud teadlaste varasemate, selgituseta katselistele andmete selgitamisele, kirjutab Phys.org.
Simulatsioon polükristallilisest nano-kaksik vasest ja selle defektidest tõmbekoormusel. Pilt: 2011 Elsevier
2009. aastal vaatlesid uurijad, et nano-kaksikkristall vase tugevus ulatus maksimumini siis, kui kristallis esinevate defektide suurus oli umbes 15 nanomeetrit. Kui neid defekte suurendati või vähendati, vähenes vase tugevus. See nähtus oli vastuolus klassikalise mudeliga, mis ennustas, et metalli tugevus suureneks järk-järgult defekti suuruse vähendamisel.
Wu ja tema kaastöötajate uurimustöö oli suunatud selle vastuolu lahendamisele. Teadlased kasutasid väga suureskaalalist molekulaardünaamika simulatsiooni selleks, et välja arvutada rohkem kui 60st miljonist aatomist koosneva nano-kaksikkristall vase deformeerumise seaduspärasused surve all. Uurijad vaatlesid, et seda deformatsiooni hõlbustas kolme liikuva dislokatsioonitüübi esinemine metalli kristallstruktuuris. Olulise avastusena märkisid teadlased, et neist kolmest dislokatsiooni tüübist üks, niinimetatud 60° dislokatsioon, toimis defektidega vastastikku viisil, mis sõltus defektide suurusest.
60° dislokatsioonid olid võimelised järjepidevalt läbima väikeseid defekte, luues mitmeid uusi, üliliikuvaid defekte, mis muutis vase pehmemaks. Teisest küljest, kui 60° dislokatsioonid toimisid vastastikku suurte defektidega, moodustus kolmemõõtmeline defektidevõrgustik. See tõkestas järgnevat dislokatsiooni liikumist, muutes vase tugevamaks. Simulatsioon ennustas, et neid kaht käitumisrežiimi eristava defekti kriitiline suurus oli 13 nanomeetrit, mis on väga lähedane katseliselt mõõdetud suurusele väärtusega15 nanomeetrit.
Teadustöö tulemused näitasid, et nano-struktureeritud ainete, nagu näiteks nano-kaksikkristall vase puhul esineb mitmeid moonutusmehhanisme. Nende kõigi mõistmine võimaldab teadlastel häälestada ainete omadusi. „Näiteks võiksime me tekitada dislokatsioonitõkkeid, et peatada nende liikumist, või muuta defektide liiteenergiat selleks, et muuta nende moondumise viisi,“ sõnas Wu. Ta lisas, et tema juhitud uurimustöö meeskond võtab järgmisena defektide mitmekesisust arvesse ühe aine piires.
Teadusartikkel: „Deformation mechanisms, length scales and optimizing the mechanical properties of nanotwinned metals“
Leave a Reply