Infine, il tuo caricatore del telefono sta per morire.

Mese dopo mese di essere spinto e tirato dentro e fuori dalla sua porta si degraderà la pellicola protettiva che ricopre il connettore. Poi, di solito quando ne hai più bisogno, il tuo caricabatterie lo prende a calci, il tuo telefono segue presto, e la vita come la conosci viene annullata. Almeno per un po'.

Questo inevitabile crollo accade naturalmente a tutto, dai sistemi industriali ai veicoli alla nanoelettronica. L'attrito fa trascinare le parti l'una contro l'altra, che spreca energia e consuma i materiali.

Infatti, si stima che queste perdite dovute all'attrito costino ai paesi sviluppati dallo 0,5 al 7% del loro PIL annuo. Un rapporto dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell'energia-Energia (ARPA-E) afferma che migliori pratiche tribologiche potrebbero far risparmiare un quadrilione di BTU all'anno, o l'equivalente di circa l'1% del consumo energetico annuo degli Stati Uniti. (La tribologia è lo studio e l'applicazione dei principi di attrito, lubrificazione, e indossare.)

Una di queste pratiche è creare più forti, pellicole protettive più resistenti all'usura. In una collaborazione interdisciplinare, I ricercatori della Lehigh University, il dott. Nicholas Strandwitz e il dott. Brandon Krick, che fanno parte della facoltà del P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science e affiliato con l'Istituto universitario per materiali e dispositivi funzionali (I-FMD), credono di aver scoperto il più difficile, più sottile, la maggior parte dei rivestimenti resistenti all'usura finora:lo strato atomico potenziato dal plasma ha depositato titanio e nitruri di vanadio.

"Questo nuovo materiale batte i rivestimenti commerciali per ordini di grandezza nelle prestazioni di usura, "dice Krick.

Ad agosto 2018, la National Science Foundation (NSF) ha concesso a Strandwitz, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, e Krick, un assistente professore di ingegneria meccanica e meccanica, un premio Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI) per lavorare con un partner industriale per studiare cosa rende esattamente questi film di nitruro così buoni.

Un premio GOALI sostiene gli interessi di ricerca condivisi tra partner accademici e industriali. Ha lo scopo di approfondire la conoscenza che potrebbe portare a innovazioni nelle esigenze industriali critiche. Il premio dura tre anni, e ammonta a oltre $ 500, 000. I finanziamenti per il progetto sui nitruri sono iniziati il ​​1 gennaio, 2019.

basse temperature, conformità, e la precisione producono una tenacità simile al diamante

I film di titanio e nitruro di vanadio sono già noti per essere estremamente duri e resistenti all'usura. Tradizionalmente, sono cresciuti sputtering, deposizione laser pulsata, o metodi di deposizione chimica da vapore. In un primo, i collaboratori del gruppo presso Veeco/CNT hanno coltivato i loro film di nitruro utilizzando la deposizione di strati atomici potenziata al plasma, o PE-ALD. Veeco/CNT è un fornitore leader di sistemi ALD con sede a Waltham, Massachusetts.

"Nella deposizione dello strato atomico, stai costruendo uno strato di atomi alla volta, " dice Strandwitz. "È una tecnica che è già utilizzata nella microelettronica, come su quelli nel tuo telefono, dove potresti aver bisogno di una pellicola spessa esattamente tre nanometri. Se il film è quattro, o due, nanometri di spessore, il tuo interruttore a transistor non funzionerà. E hai qualche miliardo di transistor nel tuo telefono."

La tecnica prevede un processo a vapore che utilizza due o più reazioni chimiche autolimitanti per far crescere uno strato di pellicola alla volta. In questo caso, un precursore del titanio entra nella camera del sistema come gas, reagisce con il substrato, e forma un monostrato. Il titanio in eccesso viene risucchiato, poi il secondo gas, plasma di azoto, viene pompato dentro. Si lega al titanio, e forma un secondo monostrato. Questo processo in due fasi viene ripetuto fino a quando il film raggiunge lo spessore desiderato.

La tecnica è potenziata da un generatore di plasma, quindi il PE nel PE-ALD.

"Per la crescita dei nitruri, hai bisogno di molta energia termica, come 800 gradi Celsius, "dice Strandwitz. "Oppure, hai bisogno di un plasma per rendere l'azoto più reattivo. Generare plasma significa eliminare gli elettroni dalle molecole di azoto mentre volano nel gas, rendendo l'azoto più reattivo in modo che si leghi alla superficie e diventi parte del film. Se fai semplicemente galleggiare gas azoto lì dentro, non accadrebbe nulla perché la molecola N2 è super stabile. Quindi con il plasma, possiamo far crescere questi film a 50 gradi Celsius, appena sopra la temperatura ambiente."

La capacità di far crescere i film a quella temperatura è fondamentale. Temperature troppo elevate possono fondere materiali sensibili come plastica e alluminio e rendere più fragili anche i metalli abbastanza stabili, dice Strandwitz.

"Avere la capacità di depositare a basse temperature apre più materiali su cui è possibile depositare, " lui dice.

PE-ALD si distingue anche per la sua conformità e precisione. A differenza delle tecniche di deposizione in linea di vista che possono lasciare buchi o ombre, i gas utilizzati in PE-ALD assicurano la copertura dell'intera superficie di un substrato, non importa la sua forma o la complessità delle sue caratteristiche. E le reazioni autolimitanti assicurano che la copertura avvenga un singolo strato di molecole alla volta, non più, non di meno.

Quando Krick ha eseguito test preliminari sulla durezza e le proprietà di usura dei film di titanio e nitruro di valdio coltivati ​​con PE-ALD, era impressionato dai risultati.

"Questi film si stanno avvicinando alla resistenza all'usura dei diamanti, " dice Krick. "Sono 100 volte meglio dei rivestimenti in nitruro commerciali. Per esempio, se stai cercando di indossare 10 nanometri, ci vorrebbero 50 cicli di scorrimento avanti e indietro per logorare così tanto il rivestimento commerciale. ci vorrebbero 5, 000 con questo materiale. Tutto dipende dal ciclo, quanto tempo dura qualcosa dipende da quanti di questi cicli di lavoro attraversa. Quindi pensa a quella spina nel caricatore del telefono. Qualcosa del genere potrebbe passare dall'esaurimento in un anno o 18 mesi, per non stancarti mai durante la tua vita."

Abbassare le barriere alla scoperta

Con il premio GOALI, Strandwitz e Krick lavoreranno con Veeco/CNT. Il team multidisciplinare comprende Strandwitz la cui esperienza include ALD e film sottili, Krick lo specialista in tribologia, e i collaboratori Mark Sowa presso Veeco/CNT e Alexander Kozen presso lo United States Naval Research Laboratory, entrambi scienziati di fama mondiale nel campo della strumentazione e dell'elaborazione ALD. Il team comprende anche un gruppo di laureati e dottorandi di talento. Studenti di Lehigh, tra cui Tomas Babuska e Guosong Zeng, Fellow della NSF, un dottorato di ricerca allume dal laboratorio di Krick che ora è al Lawrence Berkeley National Laboratory.

Gli scienziati faranno crescere i film mentre il team di Strandwitz ne esaminerà la microstruttura e il team di Krick ne misurerà le proprietà meccaniche. "Gireranno le manopole" come dice Strandwitz, su variabili come la temperatura, la quantità di titanio che usano rispetto al vanadio, e l'uso dell'ossigeno nei film.

Tutto per determinare cosa rende questi film così speciali.

"Se sappiamo perché sono così buoni, potremmo progettare un nuovo materiale che lo sfrutti ancora di più, " dice Strandwitz. "Quindi, se volessimo un film che avesse determinate proprietà di durezza o proprietà di usura, se capiamo come funziona il sistema, possiamo sintonizzarci per questo."

Possono vedere numerose potenziali applicazioni per i film, che sono anche superconduttori resistenti alla corrosione, specialmente nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) e nei sistemi microelettromeccanici (MEMS).

"Questa tecnica è utile per tutto ciò che ha molte piccole, parti in movimento che necessitano di rivestimenti molto sottili, "dice Strandwitz.

Ciò include molte cose in molti campi:aerospaziale, medicinale, comunicazioni, trasporto, difesa, industria. Praticamente tutto ciò che si muove. E quando tutta quella roba può muoversi più facilmente e durare più a lungo, il consumo di energia e gli sprechi di materiale diminuiscono, a vantaggio sia dell'economia che dell'ambiente.

"La cosa fantastica è che abbiamo misurato molti materiali nel nostro laboratorio e questo è di gran lunga il migliore, " dice Krick. "È davvero emozionante immergersi più a fondo e capire perché è così bello, e come può essere utilizzato per avere un impatto effettivo su queste varie applicazioni."

Non sorprende che un impatto così profondo richieda la fusione di discipline. Ed è possibile che Strandwitz e Krick non sarebbero mai arrivati ​​così lontano se non fossero stati così buoni collaboratori e amici. Stavano uscendo un giorno quando Strandwitz ha menzionato un materiale interessante su cui stava facendo ricerche, e molto presto, Krick lo stava testando nel suo laboratorio.

"Penso che se ognuno di noi lavorasse nel vuoto, nessuno avrebbe mai misurato le proprietà meccaniche di queste pellicole, " dice Krick. "Non saprei mai di questa tecnica di deposizione. I materiali ci sono, i ragazzi di Veeco/CNT possono realizzare tutti i tipi di materiali, ma senza l'aspetto interdisciplinare, non sapresti mai a cosa servono. Abbassa davvero le barriere alla scoperta."