Probabilmente tutti hanno avuto un problema con i contatti allentati ad un certo punto. Il malfunzionamento delle apparecchiature elettroniche è spesso causato da scarsi collegamenti a spina. In particolare nel settore automobilistico, dove l'elettronica è sempre più utilizzata, la qualità dei contatti delle spine gioca un ruolo fondamentale e qui entra in gioco la scienza dei materiali. Strutture speciali su microscala e nanoscala, che possono essere prodotti in modo rapido ed economico utilizzando le nuove tecnologie laser, sono ora impostati per garantire una maggiore sicurezza in caso di guasto.

Le superfici irregolari distruggono il contatto della spina

Per molti anni, il numero di sensori e processori installati nelle auto è in crescita, ed è molto probabile che questa tendenza continui grazie al successo dell'auto elettrica. "Quando guidi un'auto su un terreno accidentato, superficie irregolare, facendo vibrare l'intero veicolo, è davvero la cosa peggiore per i contatti a spina", Spiega il prof. Carsten Gachot dell'Istituto di progettazione tecnica e ingegneria logistica della TU Wien. Le spine iniziano a muoversi un po' avanti e indietro su una scala minuscola, che è noto come "fretting". Questi movimenti minimi sono sufficienti per causare usura, che alla fine può causare il malfunzionamento del contatto.

Anche se la probabilità di distruggere un singolo contatto a spina è piuttosto bassa, c'è un'alta probabilità di malfunzionamento perché ci sono così tanti di questi contatti. "Diversi chilometri di cavi con migliaia di contatti a spina sono installati in un mercato esclusivo, auto moderna", dice Carsten Gachot. Quindi non sorprende che, secondo l'ADAC, l'Associazione automobilistica tedesca, i malfunzionamenti elettronici sono la prima causa di guasti.

Microstrutture e nanostrutture per una migliore tenuta

Il problema può essere combattuto con nuove scoperte in tribologia, la disciplina scientifica che si occupa di attrito e usura. "Il problema è che dobbiamo soddisfare contemporaneamente due esigenze difficilmente conciliabili", dice Gachot. "Da una parte, i contatti devono tenere e non essere allentati nemmeno dalle vibrazioni, ma d'altra parte deve essere possibile collegare e scollegare la spina con una forza relativamente bassa."

La soluzione è dotare le spine di una struttura delicata. "Diversi modelli su scala microscopica impressi nel materiale possono influenzare drasticamente l'attrito e il comportamento all'usura", dice Gachot. "Nelle simulazioni e negli esperimenti, noi di TU Wien abbiamo esaminato quali strutture hanno dato i migliori risultati."

Bruciato con luce laser

In modo che queste strutture possano essere prodotte rapidamente ed economicamente, Carsten Gachot sta collaborando con gruppi di ricerca dell'Università del Saarland a Saarbrücken e della TU Dresden. "Il nuovo concetto cruciale è utilizzare la luce laser per produrre le strutture delicate", dice Gachot. Le proprietà ondulatorie della luce sono utilizzate in questo concetto; proprio come si creano complessi modelli di onde in uno stagno quando si lanciano due sassi, la superficie del materiale può essere illuminata con un pattern ondulatorio complesso quando un raggio laser viene diviso in due parti e queste due parti si sovrappongono sulla superficie. Il motivo luminoso risultante vaporizza il materiale in determinati punti, mentre in altri punti la superficie rimane intatta. Perciò, a seconda di come le travi si sovrappongono tra loro, diverse microstrutture e nanostrutture possono essere prodotte in un breve lasso di tempo.

"Nei metodi precedenti, non avrebbe avuto senso dal punto di vista economico fornire contatti a spina con tali strutture", dice Gachot. "Ma con questo metodo laser, la strutturazione di tutti i contatti a spina di un'intera vettura può essere effettuata entro 40 secondi, per un costo aggiuntivo di 21 centesimi di euro per auto."

Certo, lo sviluppo di microstrutture e nanostrutture per i collegamenti a spina non è solo vantaggioso per l'industria automobilistica; queste nuove scoperte possono essere applicate a molti settori tecnici, dai gadget di tutti i giorni alle turbine degli aerei.