Почему нанопроволоки такие прочные?

Рисунок 32. Кремниевые нанопроволоки, растущие вверх вместе с золотыми наночастицами.

Как известно, прочность – это свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. Когда цилиндрический образец с площадью поперечного сечения S растягивают силой F, он деформируется сначала упруго (обратимая деформация, см. участок О кривой на рис. 33), а затем пластически, т.е. необратимо (см. П рис. 33).

Рисунок 33. Верх – схематическое изображения красного цилиндрического образца с площадью поперечного сечения S, растягиваемого силой F, в результате чего он удлиняется на величину (L-L₀), где L₀ – первоначальная длина образца. Низ – взаимосвязь между механическим напряжением и относительной деформацией при растяжении образц

Стрелками указаны пределы прочности для титана, стали и бронзы.

При деформации структурные неоднородности образца (дефекты кристаллической решётки или дислокации) начинают двигаться и, сталкиваясь с другими, образуют микротрещины. При этом, чем больше этих дислокаций и чем быстрее они смогут двигаться по образцу, тем больше будет образовываться микротрещин при его деформации. Когда растягивающее напряжение σ (σ=F/S) достигает предела прочности, соседние микротрещины, соединяясь друг с другом, достигают критического размера, и образец разрушается.

Нанопроволока – это монокристалл, в кристаллической решётке которого практически отсутствуют дефекты (дислокации). Кроме того, поверхность нанопроволоки, имеющая чрезвычайно малый радиус кривизны (около 10 нм), сильно сжата и поэтому препятствует движению дислокации наружу, т.е. образованию микротрещины. Всё это приводит к тому, что у нанопроволок почти отсутствует пластическая деформации, а предел прочности в десятки раз выше, чем у обычных образцов (см. рис.34).

Рисунок 34. Взаимосвязь между механическим напряжением и относительной деформацией при растяжении микрообразцов разного диаметра из Ni и его сплавов Ni₃Al-Ta (взято из Uchic et al, Science, 305, 986, 2004). Диаметр образцов показан рядом с соответствующими кривыми. Для сравнения красным показана зависимость «напряжение - относительная деформация» для макрообразца. Видно, что предел прочности растёт с уменьшением диаметра проволоки.