Fragile nel macromondo, duttile nel nanomondo
20/12/2008
Su scale atomiche, il silicio si allunga tanto quanto l’oro o l’argento, continuando a deformarsi oltre il punto che sarebbe stato previsto a partire dalle proprietà macroscopiche.
Più resistenti del previsto: ecco come sono apparsi ai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST - http://www.nist.gov/) e della University of Maryland-College Park (http://www.umd.edu/) i materiali a base di silicio che si sono dimostrati assai fragili nella loro forma naturale ma duttili come l’oro alle nanoscale.
Gli scienziati del NIST Pradeep Namboodiri e Doo-In Kim e colleghi hanno dimostrato per la prima volta incongruenza tra il micro- e il macromondo trovando indicazioni della duttilità alle nanoscale già nell’autunno passato. In un nuovo articolo, presentato al convegno dell’American Physical Society, NIST, viene mostrato come il fenomeno sia possibile grazie a simulazioni al computer di aggregati di nanoparticelle.
Alle scale macroscopiche, il punto in cui un materiale si fessura o si frattura dipendende dalla sua capacità di mantenere la sue forma quando viene posto sotto stress. Gli atomi delle sostanze duttili sono in grado di spostarsi mantenendo la coesione anche a distanza maggiore rispetto ai materiali fragili, in cui punti di rottura possono determinare le fratture macroscopiche sotto stress. Alle nanoscale, la frattura strutturale non esiste, e i materiali sono quindi “quasi perfetti”. Inoltre, tali oggetti sono così piccoli che la maggior parte degli atomi che li compongono si trovano sulla superficie.
Secondo Namboodiri e Kim, le proprietà delgli atomi di superficie, che sono più mobili perché non sono legati su ogni lato, dominano alle nanoscale. Questa dominanza dona a materiale altrimenti fragili, come il silicio, caratteristiche di duttilità che vanno contro l’intuizione.
Utilizzando un microscopio a forza atomica Kim e Namboodiri in passato erano riusciti a osservare più da vicino che cosa succede alle nanoscale quando si verifica una frattura, trovando che il silicio si allunga tanto quanto l’oro o l’argento, continuando a deformarsi oltre il punto che sarebbe stato previsto a partire dalle proprietà macroscopiche.
Questa nuova simulazione ha corroborato lo studio precedente aggiungendo alcuni interessanti dettagli: sia le dimensioni delle nanoparticelle sia la morfologia – cioè il fatto che il materiale fosse cristallino o amorfo, per esempio – hanno un effetto sulla duttilità osservata e sulla resistenza alla tensione poiché questi due fattori influenzano la mobilità degli atomi di superficie. (fc)
