انجام شبیه سازی برای رفتار عجیب نقص‌ها در مس

فلزات مستحکم تمایل اندکی به خم شدن دارند مگر این که از جنس خاصی موسوم به
مس نانودوقلو باشند. ساختار بلوری نانودوقلوی مس دارای سیستم فشرده اتمی
است. این سیستم نوعی نقص ساختاری قلمداد می‌گردد که موجب افزایش قدرت و
استحکام فلز شده بدون این که انعطاف‌پذیری فلز را کم کند. با این ویژگی
کاربردهای متعددی را می‌توان برای این فلز متصور بود برای مثال از آن
می‌توان در نیمه‌هادی‌ها و پوشش‌های لایه نازک استفاده کرد. با این حال
رابطه میان خواص این نقص‌‌ها و فلزاتی که حاوی این نقص‌ها هستند برای
دانشمندان مشخص نبوده است.

در سال ۲۰۰۹ محققان دریافتند که با کاهش اندازه نقص‌های بلور تا ابعاد ۱۵ نانومتر
استحکام مس نانودوقلو افزایش می‌یابد. با افزایش یا کاهش ابعاد از ۱۵ نانومتر،
استحکام مس کاهش می‌یابد. این مشاهدات تناقض آشکاری با مدل‌های کلاسیک داشت. در
مدل‌های کلاسیک رابطه استحکام با نقص به این شکل است که استحکام فلز با کاهش ابعاد
نقص افزایش مستمر دارد.

وو و همکارانش برای بررسی این مشاهدات و یافتن پاسخی برای آن شبیه‌سازی دینامیک
مولکول انجام دادند و با استفاده از این شبیه‌سازی بلور رفتار نانودوقلو مس را که
بیش از ۶۰ میلیون اتم تحت فشار در حال تغییر شکل بود را بررسی کردند. آنها دریافتند
که سه نوع حرکت نابجایی در ساختار بلوری موجب تسهیل تغییر شکل این فلز می‌شود. نکته
جالب توجه در یافته‌های آنها این بود که از میان این سه نوع نابجایی، یک نوع که به
نابجایی ۶۰ درجه موسوم است با نقص‌ها برهمکنش می‌دهد که این برهمکنش با ابعاد نقص
رابطه دارد.

نابجایی ۶۰ درجه قادر است از میان نقص‌ها به‌صورت مستمر عبور کند که با این کار
موجب تشکیل نابجایی‌های جدید و متحرک می‌شود. این فرآیند در نهایت موجب نرم‌ شدن
فلز مس می‌گردد. از سوی دیگر زمانی که ابعاد نقص‌ها بزرگ می‌شود، یک شبکه سه بعدی
از نابجایی‌ها تشکیل شده که به‌صورت سدی در برابر حرکت نابجایی عمل می‌کند این
وضعیت در نهایت منجر به مستحکم شدن فلز مس می گردد. نتایج شبیه‌سازی پیش‌بینی
می‌کند که ابعاد بحرانی برای اندازه نقص‌ها جهت مشاهده این مرز میان این دو رفتار،
۱۳ نانومتر است که بسیار نزدیک به رقم ۱۵ نانومتر مشاهده شده در آزمایشات است.