Il processo CVD inizia con serbatoi contenenti un materiale iniziatore (rosso) e uno o più monomeri (viola e blu), quali sono gli elementi costitutivi del rivestimento polimerico desiderato. Questi sono vaporizzati, o riscaldandoli o riducendo la pressione, e vengono quindi introdotti in una camera a vuoto contenente il materiale da rivestire. L'iniziatore aiuta ad accelerare il processo in cui i monomeri si collegano in catene per formare polimeri sulla superficie del materiale del substrato.
In un senso, afferma la professoressa di ingegneria chimica del MIT Karen Gleason, puoi tracciare la tecnologia della deposizione chimica da vapore, o CVD, fino alla preistoria:"Quando gli uomini delle caverne accesero una lampada e sulla parete di una grotta si depositò fuliggine, " lei dice, quella era una forma rudimentale di CVD.
Oggi, Il CVD è uno strumento di produzione di base, utilizzato in tutto, dagli occhiali da sole ai sacchetti di patatine, ed è fondamentale per la produzione di gran parte dell'elettronica di oggi. È anche una tecnica soggetta a costante affinamento ed espansione, spingendo la ricerca sui materiali in nuove direzioni, come la produzione di fogli di grafene su larga scala, o lo sviluppo di celle solari che potrebbero essere "stampate" su un foglio di carta o plastica.
In quest'ultima zona, Gleason, che funge anche da rettore associato del MIT, è stato un pioniere. Ha sviluppato quello che era stato tradizionalmente un processo ad alta temperatura utilizzato per depositare metalli in condizioni industriali in un processo a bassa temperatura che potrebbe essere utilizzato per materiali più delicati, come i polimeri organici. Quello sviluppo, un perfezionamento di un metodo inventato negli anni '50 dalla Union Carbide per produrre rivestimenti polimerici protettivi, è ciò che è abilitato, Per esempio, le celle solari stampabili sviluppate da Gleason e altri.
Questa deposizione da vapore di polimeri ha aperto la porta a una varietà di materiali che sarebbero stati difficili, e in alcuni casi impossibile, produrre in altro modo. Per esempio, molti polimeri utili, come materiali per la dispersione dell'acqua per proteggere componenti industriali o impianti biologici, sono costituiti da precursori che non sono solubili, e quindi non potrebbe essere prodotto utilizzando metodi convenzionali basati su soluzioni. Inoltre, dice Gleason, l'Alexander e I. Michael Kasser Professor al MIT, lo stesso processo CVD induce reazioni chimiche tra rivestimenti e substrati che possono legare fortemente il materiale alla superficie.
Il lavoro di Gleason sul CVD a base di polimeri è iniziato negli anni '90, quando ha fatto esperimenti con il teflon, un composto di cloro e fluoro. Quel lavoro ha portato a un campo ora fiorente dettagliato in un nuovo libro edito da Gleason, intitolato "Polimeri CVD:fabbricazione di superfici e dispositivi organici" (Wiley, 2015).
Al tempo, l'idea era che l'unico modo per far funzionare la CVD con i materiali polimerici fosse utilizzare il plasma, un gas caricato elettricamente, per avviare la reazione. Gleason ha cercato di effettuare esperimenti per dimostrarlo, iniziando eseguendo un esperimento di controllo senza il plasma per dimostrare quanto fosse importante per far funzionare il processo. Anziché, il suo esperimento di controllo ha funzionato bene senza alcun plasma, dimostrando che per molti polimeri questo passaggio non era necessario.
Ma l'attrezzatura utilizzata da Gleason permetteva di controllare la temperatura del gas separatamente da quella del substrato; avere il dispositivo di raffreddamento del substrato si è rivelato fondamentale. Ha continuato a dimostrare il processo senza plasma con più di 70 diversi polimeri, aprendo un nuovo campo di ricerca.
Il processo può richiedere molta messa a punto, ma è fondamentalmente una semplice serie di passaggi:il materiale da rivestire viene posizionato all'interno di una camera a vuoto, che determina la dimensione massima degli oggetti che possono essere rivestiti. Quindi, il materiale di rivestimento è riscaldato, o la pressione intorno ad esso viene ridotta fino a quando il materiale non evapora, all'interno della camera a vuoto o in un'area adiacente da cui può essere introdotto il vapore. Là, il materiale sospeso inizia a depositarsi sul materiale di supporto ea formare un rivestimento uniforme. La regolazione della temperatura e della durata del processo consente di controllare lo spessore del rivestimento.
Con metalli o composti metallici, come quelli utilizzati nell'industria dei semiconduttori, o i rivestimenti argentati all'interno delle bustine snack, il vapore metallico riscaldato si deposita su un substrato più freddo. Nel processo polimerico, è un po' più complesso:due o più composti precursori diversi, chiamati monomeri, vengono introdotti nella camera, dove reagiscono per formare polimeri mentre si depositano sulla superficie.
Anche l'elaborazione CVD ad alta temperatura si è evoluta, con un grande potenziale per applicazioni commerciali. Per esempio, il gruppo di ricerca di John Hart, professore associato di ingegneria meccanica, ha costruito un sistema di lavorazione roll-to-roll utilizzando CVD per realizzare fogli di grafene, un materiale con potenziali applicazioni che vanno dai display di grandi dimensioni ai sistemi di filtrazione dell'acqua. Il gruppo di Hart e altri hanno usato CVD per produrre grandi matrici di nanotubi di carbonio, materiali con potenziale come nuovi elettrodi per batterie o celle a combustibile.
"È un processo di produzione molto versatile e ampiamente utilizzato, "Hart dice, "e un processo molto generale che può essere adattato a molte applicazioni diverse".
Un grande vantaggio della lavorazione CVD è che può creare rivestimenti di spessore uniforme anche su forme complesse. Per esempio, Il CVD può essere utilizzato per rivestire uniformemente i nanotubi di carbonio, minuscoli cilindri di carbonio puro molto più sottili di un capello, in modo da modificarne le proprietà meccaniche e farli reagire chimicamente a determinate sostanze.
"Combinando due processi CVD:uno per far crescere i nanotubi di carbonio, e un altro per rivestire i nanotubi:abbiamo un modo scalabile per produrre nanomateriali con nuove proprietà, "Dice Hart.
Molti progressi nella ricerca sulle malattie cardiovascolari negli ultimi anni risalgono all'inaspettata scoperta di Gleason, negli anni '90, che il processo potrebbe funzionare senza plasma e il suo seguito su quella scoperta. "Devi prestare attenzione quando accade una cosa nuova, "dice. "Questa è una specie di chiave."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
