Наноструктуры определенного размера могут быть склонны к сильному трещинообразованию. Таков результат исследований, проведенных группой ученых из Национальной Лаборатории Лоуренса в Ливерморе (Lawrence Livermore National Laboratory) и Лос Аламосской Национальной Лаборатории (Los Alamos National Laboratory), которые опубликованы кратким сообщением в августовском номере Physical Review B (Condensed Matter and Materials Physics), August 2008, Volume 78, Number 50.

По мере приближения структуры к наноразмерам, атомные колебания (также известные как фононы) становятся ощутимыми и по величине и по форме. Эти эффекты играют важную роль в переносе тепла, электронных процессах и термодинамической стабильности. В то же время немногое известно об их роли в процессах трещинообразования.

В новых исследованиях ученые обнаружили, что при определенных толщинах, избыточная энтропия ограниченных колебаний понижает граничную энергию трещинообразования, что приводит к появлению специфических трещин, определяемых размерами образования.

Группа Майкла Манли (Michael Manley) обнаружила, что частицы, сформированные во время реакции церия с водородом (гидрид церия) расслаивались в пластинки, составляющие стопку. Такие пластинки имели два характеристических размера по толщине – 100 нм и 30 нм. Результаты имеют важное значение для расчета и проектирования наноструктур. Это также может оказаться полезным в процессах создания больших количеств наноматериалов.

Изображения стопки пластин гидрида церия, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа: а) Обычный кластер слоистых пластин; б) Увеличенное изображение торца пластин; в) Увеличенное изображение другого участка торца пластин, демонстрирующее тонкую трещину.

Времена возбуждения фононов обычно составляют пикосекунды, в то время как рост трещины является гораздо более медленным процессом, включающий в себя одновременное смещение многих атомных плоскостей на относительно большие расстояния по сравнению с амплитудами вибраций атомов. Это означает, что изоляция фононов должна происходить одновременно с развитием трещины. В отличие от термодинамической стабильности, растрескивание является процессом, ослабляющим связи. Локальное ослабление может стать важным в общем процессе трещинообразования. Это может иметь серьезные последствия не только для структур малых характеристических размеров, но и для более массивных по количеству структур наноматериалов.