La meccanica multiscala del silicio amorfo
Diversamente dal reticolo ben ordinato del silicio cristallino (Si), il Si amorfo si compone di atomi che formano una rete continua casuale. Il fortissimo interesse scientifico nei confronti delle applicazioni di materiali basati su silici amorfi (SiO2 - biossido di silicio) ha messo in evidenza la difficoltà di descriverne la reazione meccanica su scala atomica. Il finanziamento dell'UE del progetto PLASTAMORPH ha sostenuto lo sviluppo di una descrizione teorica unificante di tali materiali a varie scale di lunghezza. La modellizzazione multiscala ha consentito di approfondire le conoscenze sul ruolo dei meccanismi fisici su scala atomica nella formazione di fenomeni macroscopici. Una descrizione accurata dei comportamenti su scale di lunghezza limitata sarà utile per superare problemi di plasticità (deformazione) e sforzo in dispositivi basati su Si. Il progetto si è prefissato quattro obiettivi tecnici. Una maggiore comprensione della reazione meccanica locale di materiali amorfi basati su Si dovrebbe essere collegata al loro comportamento reologico macroscopico. I ricercatori hanno anche cercato di caratterizzare il comportamento vibrazionale dei materiali, nonché di indagare sugli effetti della pressione su nanopilastri Si che stanno suscitando sempre più l'interesse in relazione ad applicazioni in optoelettronica. Sfruttando simulazioni di dinamica molecolare in base ad algoritmi di dinamica multibody, i ricercatori hanno analizzato gli effetti di taglio (condizioni statiche) e il gradiente di taglio (condizioni variabili nel tempo), accanto alla direzionalità del legame sulla reazione meccanica su piccola scala. Le simulazioni hanno fornito la prova di due tipi di trasposizione plastica: nucleazione di eventi isolati e trasposizioni a valanga. Gli studi delle proprietà vibrazionali del modello di Si amorfo hanno chiarito meglio le insolite proprietà di materiali amorfi. In particolare, gli scienziati hanno confutato la classica descrizione secondo cui qualsiasi vibrazione arbitraria può essere descritta come sovrapposizione di vibrazioni elementari. Infine, tramite indagini numeriche sono state esplorate le proprietà meccaniche del nanopilastro come funzione di dimensione, dimostrando una diminuzione della pressione interna come funzione del quadrato del raggio di nanopilastro. PLASTAMORPH ha fornito importanti chiarimenti sul comportamento su scala atomica di materiali basati su Si amorfo, colmando un'importante lacuna che precedentemente impediva il loro sfruttamento nei dispositivi optoelettronici. Diventa ora possibile controllare deformazione e sforzo. Oltre a spianare la via a futuri sviluppi relativi ai materiali basati su Si amorfo, i modelli saranno parte integrante di uno studio su solidi amorfi per molteplici applicazioni.
