p Os materiais cristalinos têm átomos perfeitamente alinhados em um padrão repetitivo. Quando eles quebram, que a falha tende a começar em um defeito, ou um lugar onde o padrão é interrompido. Mas como os materiais sem defeitos se quebram? p Até recentemente, a questão era puramente teórica; era impossível fazer um material sem defeitos. Agora que os avanços nanotecnológicos tornaram esses materiais uma realidade, Contudo, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes da Alemanha mostraram como esses defeitos se formam pela primeira vez no caminho para o fracasso.

p Em um novo estudo, publicado em Materiais da Natureza , eles esticaram nanofios de paládio sem defeitos, cada um mil vezes mais fino que um cabelo humano, sob condições rigidamente controladas. Ao contrário da sabedoria convencional, eles descobriram que a força de alongamento na qual esses fios falharam era imprevisível, ocorrendo em uma faixa de valores que foram mais fortemente influenciados pela temperatura ambiente do que se acreditava anteriormente.

p Esta incerteza térmica no limite de falha sugere que o ponto onde um defeito indutor de falha aparece pela primeira vez é na superfície do nanofio, onde os átomos se comportam de uma forma mais líquida. Sua maior mobilidade torna mais provável que eles se reorganizem no início de um "defeito de linha, "que atravessa o nanofio, fazendo com que ele se quebre.

p O estudo foi conduzido pela estudante de graduação Lisa Chen e pelo professor associado Daniel Gianola, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn. Outros membros do laboratório de Gianola, o pesquisador de pós-doutorado Mo-Rigen He e o estudante de graduação Jungho Shin, contribuíram para o estudo. Eles colaboraram com Gunther Richter do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes.

p "A nanotecnologia não é apenas tornar as coisas menores, "Chen disse, "também se trata de diferentes propriedades que surgem em materiais em nanoescala."

p "Quando você faz essas estruturas realmente pequenas, "Gianola disse, "muitas vezes crescem de baixo para cima, em um átomo por átomo, processo camada por camada, e isso pode lhe dar uma estrutura muito mais primitiva do que se você pegasse um grande bloco de metal e o talhasse. Além disso, os átomos na superfície compreendem uma proporção muito maior do total e podem controlar as propriedades do material em nanoescala. "

p Os pesquisadores cultivaram nanofios de paládio por meio de um método de deposição de vapor em alta temperatura, o que fornecia a cada átomo o tempo e a energia para se mover até encontrar seu ponto preferido na estrutura cristalina do metal.

p Brotando de um substrato como folhas de grama, a equipe usou um manipulador robótico microscópico para arrancar meticulosamente os fios e prendê-los à plataforma de teste dentro de um microscópio eletrônico.

p Esta plataforma, desenvolvido em conjunto com o Laboratório Nacional Sandia, funciona como uma máquina de teste mecânico industrial em nanoescala. Soldar um nanofio a uma garra ligada a uma série de barras inclinadas que se expandem quando aquecidas por uma corrente elétrica, os pesquisadores poderiam então esticar o nanofio de maneira controlada. Aumentando repetidamente a tensão para um máximo diferente e diminuindo-o na mesma taxa, os pesquisadores puderam identificar quando ocorreu a primeira deformação irreversível no fio.

p "Apenas puxar até que falhe não diz exatamente onde e como essa falha começou, "Gianola disse." Nosso objetivo era deduzir o ponto onde o primeiro átomo do nanofio começa a sair de suas posições originais e formar um defeito móvel. "

p Estudos computacionais sugeriram que este ponto poderia ser revelado pelo estudo da dependência da temperatura da falha. Nanofios sem defeitos ausentes para realizar experimentos físicos, teorias e análises anteriores sugeriam que a relação entre temperatura e resistência era determinística; saber a temperatura permitiria estimar o limite de falha de um nanofio.

p Ao conduzir seus experimentos de alongamento em várias temperaturas, os pesquisadores foram capazes de mapear esses pontos de falha. Surpreendentemente, eles encontraram as resistências dos fios espalhadas por uma gama de valores, mesmo quando esticado na mesma temperatura.

p "Conseguimos verificar, "Chen disse, "através da experiência, e não apenas teoria, que este processo é ativado termicamente, e que há uma grande aleatoriedade no processo. Normalmente, você pode dizer que um material a granel tem certa resistência a uma certa temperatura, mas você tem que adotar uma abordagem diferente para especificar a força do nanofio. Dependendo da temperatura com a qual você está preocupado, até mesmo a distribuição de forças pode variar drasticamente. "

p O fato de essa distribuição ocorrer em uma faixa relativamente grande de valores significa que a barreira de ativação térmica, a quantidade de energia necessária para iniciar a nucleação do primeiro defeito, foi relativamente baixo. Comparar o tamanho dessa barreira de ativação térmica com outros mecanismos atomísticos deu aos pesquisadores algumas dicas sobre o que estava conduzindo esse processo.

p "Difusão de átomos em uma superfície, "Gianola disse, "é o único mecanismo que tem essa barreira de baixa ativação térmica. A difusão da superfície consiste em átomos pulando, site a site, um tanto caoticamente, quase como um fluido. Um átomo de paládio dentro da maior parte do fio tem 12 vizinhos, e tem que quebrar a maioria desses laços para se mover. Mas um na superfície pode ter apenas três ou quatro para quebrar. "

p Compreender a origem da distribuição de forças em nanoestruturas permitirá um design mais racional de dispositivos.

p "Até recentemente, "Gianola disse, "tem sido muito difícil fazer nanofios sem defeitos. Mas agora que podemos, há um motivo para se preocupar com a forma como eles falham. Seus pontos fortes são quase mil vezes o que você obteria do material a granel com defeitos - neste experimento, nós observamos, para nosso conhecimento, as maiores resistências já medidas nessa estrutura de cristal de metal - portanto, eles serão atraentes para uso em todos os tipos de dispositivos. "