Um dos princípios básicos da nanotecnologia é que quando você faz coisas extremamente pequenas - um nanômetro tem cerca de cinco átomos de largura, 100, 000 vezes menor que o diâmetro de um cabelo humano - eles se tornarão mais perfeitos.

"Perfeito no sentido de que seu arranjo de átomos no mundo real se tornará mais como um modelo idealizado, "diz o engenheiro Frederic Sansoz da Universidade de Vermont, "com cristais menores - por exemplo, ouro ou cobre - é mais fácil ter menos defeitos neles. "

E eliminando os defeitos na interface que separa dois cristais, ou grãos, foi demonstrado por especialistas em nanotecnologia ser uma estratégia poderosa para tornar os materiais mais fortes, mais facilmente moldado, e menos resistente eletricamente - ou uma série de outras qualidades procuradas por designers e fabricantes.

Desde 2004, quando um artigo seminal saiu em Ciência , os cientistas de materiais estão entusiasmados com um arranjo especial de átomos em metais e outros materiais chamado "limite gêmeo coerente" ou CTB.

Com base na teoria e na experiência, esses limites gêmeos coerentes são frequentemente descritos como "perfeitos, "parecendo perfeitamente plano, plano de um átomo de espessura em modelos de computador e imagens de microscópio eletrônico.

Na última década, um corpo de literatura tem mostrado esses limites gêmeos coerentes - encontrados em nanoescala dentro da estrutura cristalina de metais comuns como ouro, prata e cobre - são altamente eficazes na fabricação de materiais muito mais fortes, mantendo sua capacidade de sofrer mudanças permanentes na forma sem quebrar e ainda permitindo fácil transmissão de elétrons - um fato importante para a fabricação de computadores e outras aplicações eletrônicas.

Mas uma nova pesquisa mostra agora que as fronteiras dos gêmeos coerentes não são tão perfeitas, afinal.

Uma equipe de cientistas, incluindo Sansoz, professor da Faculdade de Engenharia e Ciências Matemáticas da UVM, e colegas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e em outros lugares, escrever na edição de 19 de maio de Materiais da Natureza que os limites de gêmeos coerentes encontrados no cobre "são inerentemente defeituosos".

Com um microscópio eletrônico de alta resolução, usando uma técnica mais poderosa do que nunca foi usada para examinar esses limites, eles encontraram pequenos degraus semelhantes a dobras e curvaturas no que antes havia sido considerado perfeito.

Ainda mais surpreendente, essas torções e outros defeitos parecem ser a causa da força da fronteira gêmea coerente e de outras qualidades desejáveis.

"Tudo o que aprendemos sobre esses materiais nos últimos 10 anos terá que ser revisado com essas novas informações, "Sansoz diz

O experimento, liderado por Morris Wang no Laboratório Lawrence Livermore, aplicou uma técnica de mapeamento recentemente desenvolvida para estudar a orientação do cristal de CTBs no chamado cobre nanotwinned e "boom - revelou esses defeitos, "diz Sansoz.

Essa descoberta do mundo real estava de acordo com descobertas teóricas intrigantes anteriores que Sansoz vinha fazendo com "simulações atomísticas" em um computador. Os resultados do laboratório enviaram Sansoz de volta aos seus modelos de computador, onde introduziu os recém-descobertos defeitos de "torção" em seus cálculos. Usando o Vermont Advanced Computing Center da UVM, ele teoricamente confirmou que os defeitos de torção observados pela equipe de Livermore levam a "processos de deformação bastante ricos em escala atômica, " ele diz, que não existem com fronteiras gêmeas perfeitas.

Com o modelo do computador, "encontramos uma série de mecanismos completamente novos, " ele diz, para explicar por que limites de gêmeos coerentes simultaneamente adicionam força e ainda permitem o alongamento (o que os cientistas chamam de "ductilidade à tração") - propriedades que geralmente são mutuamente exclusivas em materiais convencionais.

"Não tínhamos ideia de que tais defeitos existiam, "diz Sansoz." Tanto para o limite de gêmeos perfeito. Nós agora os chamamos de limites de gêmeos defeituosos. "

Por várias décadas, os cientistas procuraram maneiras de diminuir o tamanho de grãos cristalinos individuais em metais e outros materiais. Como uma série de diques ou paredes dentro da estrutura maior, os limites entre os grãos podem retardar o deslizamento interno e ajudar a resistir a falhas. Geralmente, quanto mais desses limites - mais forte é o material.

Originalmente, os cientistas acreditavam que os limites gêmeos coerentes em materiais eram muito mais confiáveis ​​e estáveis ​​do que os limites convencionais de grãos, que estão incoerentemente cheios de defeitos. Mas a nova pesquisa mostra que ambos podem conter tipos semelhantes de defeitos, apesar das energias de contorno muito diferentes.

"Compreender essas estruturas defeituosas é o primeiro passo para aproveitar ao máximo esses CTBs para fortalecer e manter a ductilidade e a condutividade elétrica de muitos materiais, "Morris Wang disse." Entender o comportamento e os mecanismos desses defeitos ajudará nosso projeto de engenharia desses materiais para aplicações de alta resistência. "

Para Sansoz, esta descoberta sublinha um princípio profundo, "Existem todos os tipos de defeitos na natureza, " ele diz, "com nanotecnologia, você está tentando controlar a maneira como eles são formados e dispersos na matéria, e entender seu impacto nas propriedades. O ponto deste artigo é que alguns defeitos tornam o material mais resistente. "