محققان راز شکستنن نانوسیم‌ها را کشف کردند

بیشتر مواد هنگامی که نیرویی به نقص‌های ساختاری مانند شکاف‌ها و نابجایی‌های آنها وارد می‌شود، می‌شکنند. رفتار عیوب ساختاری در ساختار‌های کوچک مانند نانوسیم‌ها و ساختارهای بزرگ مانند مواد بالک، متفاوت است. در پژوهشی که در مؤسسه A*STAR کشور سنگاپور انجام شد، رابطه ساده‌ای برای تعیین طولی که رژیم رفتار نانوسیم‌ها تغییر می‌کند، ارائه شد. نتایج این تحقیق منجر به حل یک مسئله علمی و پایه‌گزاری یک مبنای مهندسی برای طراحی مکانیکی سیستم‌ها در مقیاس نانو شد.

نمونه‌هایی از ایجاد شکستگی در اثر تنش در
نانوسیم‌ها با طول‌های متفاوت در شکل زیر نشان داده شده است. نانوسیم‌های
کوتاه با طول ۱۸۸ نانومتر به‌صورت تدریجی می‌شکنند درحالی که نانوسیم‌های
بلند با طول ۱۵۰۳ نانومتر به‌صورت ناگهانی در اثر تنش‌های محلی دچار شکستگی
می‌شوند.
 
 
بیشتر مواد هنگامی که نیرویی به نقص‌های
ساختاری مانند شکاف‌ها و نابجایی‌های آنها وارد می‌شود، می‌شکنند. رفتار
عیوب ساختاری در ساختار‌های کوچک مانند نانوسیم‌ها و ساختارهای بزرگ مانند
مواد بالک، متفاوت است. دانشمندان مطالعه دقیقی بر روی فهم رفتار مکانیکی
نانوسیم‌ها در موقع ایجاد شکستگی انجام داده‌اند. این پژوهش با استفاده از
شبیه‌سازی به‌وسیله‌ی Zhaoxuan Wu و همکاران در مؤسسه A*STAR سنگاپور و با
همکاری ایالات متحده آمریکا انجام شده است.

در این پژوهش، نانوسیم‌های فلزی با ساختار کریستالی FCC که دارای دو مد
شکستگی هستند، مورد بررسی قرار گرفته‌اند. آزمایش‌هایی که به‌وسیله‌ی گروه
تحقیقاتی دیگری انجام شده است، نشان می‌دهد که این نانوسیم‌ها در اثر ایجاد
شکافی که به‌صورت نرم و پیوسته در ساختار ایجاد می‌شود، می‌شکنند درحالی که
سایر بررسی‌ها حکایت ازشکستگی ناگهانی در این ساختارها دارد.

Wu و همکارانش در مسیر پژوهش خود مجمو عه‌ای از خصوصیات نانوسیم‌ها را که
بتوانند شبیه‌سازی خود را بر مبنای آن انجام دهند، مورد استفاده قرار داند.
آنها از نرم افزار دینامیک مولکولی (MD) برای پیش‌بینی رفتار نانوسیم‌های
استوانه‌ای از جنس مس با قطر ۲۰ نانومتر و طولی بین ۱۸۸ تا ۱۵۰۳ نانومتر
استفاده کردند. در این شبیه‌سازی شکافی ۵/۰ نانومتری بر سطح نانوسیم ایجاد
شد و سپس تنش کششی در راستای محور نانوسیم‌ها اعمال شد.

این شبیه‌سازی پیش‌بینی کردکه نانوسیم‌های بلند به‌طور ناگهانی شکسته می‌شوند
در حالی که نانوسیم‌های کوتاه با طولی کمتر از ۱۵۰۰ نانومتر به آرامی و با
تغییر شکل تدریجی می‌شکنند. به‌عبارت دیگر بنا به گفته Wu “آرام و موقر” می‌شکنند.
در شبیه‌سازی‌های گذشته در مورد رفتار نانوسیم‌ها به‌دلیل کوتاه فرض کردن
طول نانوسیم ها، این دو رژیم رفتاری را پیش‌بینی نشده بود. تفاوت در رفتار
نانوسیم‌ها با طول متفاوت بدین دلیل است که در میزان کرنش معلوم، نانوسیم‌های
بلند مقدار بیشتر از انرژی الاستیک را ذخیره می‌کنند و بنابراین زودتر می‌شکنند.

این پیش‌بینی سبب شد تا Wu و همکاران رابطه ساده‌ای برای تعیین طولی که
رژیم رفتار نانوسیم‌ها تغییر می‌کند، ارائه دهند. هم این رابطه و هم سایر
نتایج این شبیه‌سازی با نتایج آزمایش گاهی تطابق دارد. نتایج این تحقیق
منجر به حل یک مسئله علمی و پایه‌گذاری یک مبنای مهندسی برای طراحی مکانیکی
سیستم‌ها در مقیاس نانو شد.

اطلاعات بیشتر در این خصوص با عنوان Nanowire failure: long = brittle and
short = ductile در مجله Nano Letters به چاپ رسیده است.