Aalto-yliopiston tutkimusryhmä selvitti piin nanomekaanisia ominaisuuksia CSC:n laskentaresurssien avulla

22.08.2011

Suuressa koossa monet materiaalit, kuten pii, ovat hauraita särkymään samalla lailla kuten esimerkiksi lasi. Nanopartikkelikoossa saman materiaalin voi puristaa jopa puoleen alkuperäisestä koosta ilman, että kappale sirpaloituu palasiksi.

Tämä käy ilmi professori Roman Nowakin johtaman kansainvälisen tutkimusprojektin tuloksista. Tutkimuksessa selvitettiin, miten piin atomirakenteen käyttäytyminen riippuu mekaanisesta rasituksesta ja tutkittavan piikappaleen koosta. Tutkimustulokset on julkaistu äskettäin Nature Nanotechnology -lehden artikkelissa “Deconfinement leads to changes in the nanoscale plasticity of silicon”. Tutkimustulosten merkittävyydestä kertoo myös se, että Nature Nanotechnology -lehti analysoi tuloksia omalla uutispalstallaan.

Puristettaessa erikokoisia piipalloja havaittiin, että piin nanomekaaninen käyttäytyminen riippuu pallon koosta. Materiaalin ominaisuuksissa tapahtuneita muutoksia ei siten selittäneetkään tavallisesti sovelletut, mittakaavasta riippuvaiset teoriat.

Havaitun ilmiön syntymekanismit tunnistettiin numeerisella mallintamisella, jossa molekyylidynamiikkasimulaatioiden kautta voitiin atomitason tarkkuudella seurata materiaalin rakenteen muuttumista siihen kohdistetun rasituksen alla.

Saadut tulokset antavat yhtenäisen kuvauksen piin mekaanisille ominaisuuksille alkaen nanomittakaavasta aina makroskooppisiin kappaleisiin, mikä on keskeistä suunniteltaessa nanomittakaavan rakenteita vaativia teknologisia sovelluksia.

Professori Roman Nowak johtaa Nordic Hysitron laboratoriota Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa. Ryhmän toiminta perustuu kansainväliseen (Suomi, Japani, Puola ja USA) tutkimusyhteistyöhön, jossa keskitytään pitkälle kehitettyjen materiaalien ja nanorakenteiden nanomekaaniseen kokeelliseen tutkimukseen sekä numeeriseen mallintamiseen. Tutkimuksen MD-simulaatiot on suoritettu CSC:n laskentapalvelimilla ja se on saanut rahoitusta Suomen Akatemialta, Teknillisen korkeakoulun tukisäätiöltä sekä japanilaisilta ja yhdysvaltalaisilta tutkimusrahoittajilta.

D. Chrobak, N. Tymiak, A. Beaber, O Ugurlu, W.W. Gerberich and R. Nowak, Deconfinement leads to changes in the nanoscale plasticity of silicon, Nature Nanotechnology 6 (2011) 480–484.

Tiedot Nature Nanotechnology -lehden julkaisusta:
G.L.W. Cross, Silicon nanoparticles: Isolation leads to change, Nature Nanotechnology 6 (2011) 467-468.