تغییرات شکست در اندازه‌های مشخصی از مقیاس نانو

اندازه‌های مشخصی از نانوساختارها بیشتر از بقیه مستعد پذیرش نقص بر اساس شکست هستند. این نتیجه پژوهش جدید مایکل منلی و همکارانش از آزمایشگاه بین‌المللی به «لوس آلاموس» است که در مجله Physical Review، منتشر شده است.

اندازه‌های مشخصی از نانوساختارها بیشتر از بقیه مستعد پذیرش نقص بر اساس شکست
هستند. این نتیجه پژوهش جدید مایکل منلی و همکارانش از آزمایشگاه بین‌المللی به
«لوس آلاموس» است که در مجله Physical Review، منتشر شده است.

اگر اندازه یک ساختار به ابعاد نانو رسانده شود، حرکت‌های افقیِ معروف به
فونون، بر اساس پدیده‌ای به نام قید فونونی، اندازه و شکل خود را به دست
می‌آورند. اگرچه این اثرها نقش بسیار مهمی در جابه‌جایی گرمایی، فرایند‌های
الکترونیکی و پایداری ترمودینامیکی دارند؛ در مورد نقش آنها در شکست، اطلاعات
زیادی در دست نیست.

در تحقیقات جدید، محققان به این نکته دست یافته‌اند که در ضخامت‌های مشخص،
آنتروپی اضافی مربوط به لرزش مقید انرژی، شکست را کاهش داده و در نتیجه به شکست
اندازه مشخصی منتهی می‌شود. آنها دریافتند که ذره‌هایی که در جریان واکنش سریم
با هیدروژن روی هم چیده شده بودند، شکسته شدند.

صفحات دو ضخامت متفاوت را نمایش می‌دادند: یکی در مقیاس صد نانومتر و دیگری در
مقیاس مرسوم ۳۰ نانومتر. به گفته منلی با ایجاد شکست در نانوصفحات فلزی، در یک
اندازه معین انرژی شکست به سطح پایینی خواهد رسید و این امر منجر به ایجاد
اندازه مشّخص شکست می‌شود. این امر مفهوم مهمی را برای طراحی نانوساختارها بیان
کرده، امکان استفاده در خلق کمیت‌های بزرگی از نانوساختارهای پایدار را نیز
فراهم می‌آورد.

منلی همچنین بیان کرد که با توجه به اینکه عموماً برانگیختگی فونون در مقیاس
زمانی در حدود پیکوثانیه رخ می‌دهد، و رشد شکاف یک فرایندِ آهسته‌تر شامل
جابه‌جایی همزمان صفحات زیادی از اتم‌ها در یک فاصله نسبتاً‌ بزرگ در مقایسه با
لرزش‌های اتمی است؛ لذا محدودیت فونونی هم باید مانند پیشرفت شکاف به‌طور
همزمان رخ دهد. برخلاف تعادل ترمودینامیکی، شکست یک فرایند خطی ضعیف است؛ بدین
معنی که حتی یک ضعف ناحیه‌ای نیز در تحمیل شدن فرایند شکست بااهمیت است.

این مسئله نه تنها برای مواد با اندازه کوچک، بلکه برای روش پیشرفت شکست در
ساختارهای نانوی مواد حجیم نیز نتایج مهمی خواهد داشت. این تحقیق در ماه آگوست
در نشریه Physical Review چاپ شده‌است.

آزمایشگاه بین‌المللی لورنس لیورمور یک آزمایشگاه مطمئن با مأموریتی برای تضمین
کردن امنیت بین‌المللی و اعمال علم و فناوری برای موضوعات مهم زمان ماست. این
آزمایشگاه را امنیت بین‌المللی لورنس لیورمور مدیریت می‌کند. LLC نیز برای بخش
سازمان امنیت انرژی هسته‌ای بین‌المللی ایالات متحده فعالیت می‌کند.