I ricercatori finanziati dal SNSF hanno sviluppato una nuova tecnica per intagliare materiali per creare sistemi micromeccanici. In particolare, hanno creato un minuscolo componente dell'orologio con un diamante sintetico a cristallo singolo.
Il diamante è molto duro ed elastico, un ottimo conduttore termico e altamente trasparente, che lo rende ideale per molte applicazioni meccaniche e ottiche. Ma tagliarlo in forme complesse con una precisione micrometrica (un millesimo di millimetro) rimane molto impegnativo. Un processo sviluppato dal team di Niels Quack, un professore del FNS all'EPFL, permette di scolpire un sistema di orologi micromeccanici – una ruota di scappamento di tre millimetri di diametro e un'ancora – in un diamante sintetico monocristallo.
Il team di Losanna ha perfezionato una tecnica nota come "incisione ionica reattiva" ampiamente utilizzata nell'industria dei chip per computer. I ricercatori sono così in grado di scolpire il diamante sintetico in forme tridimensionali dello spessore di 0,15 millimetri, ovvero tre volte maggiore delle strutture esistenti più spesse. "Ci stiamo avvicinando allo spessore standard del settore degli orologi, che è di circa 0,2 millimetri", spiega Quack. "La nostra tecnica è interessante per l'industria, e stiamo discutendo con una società di orologi svizzera. Crediamo che il diamante offra un attrito ridotto, che dovrebbe aumentare la riserva di carica. Ecco quanto tempo ci vuole prima che l'orologio debba essere riavvolto. Ma è ancora un'ipotesi da verificare." Il diamante ha altri vantaggi per l'orologeria:è traslucido e può essere colorato, ed è anche non magnetico, un attributo molto apprezzato nel mercato attuale.
In precedenza, l'attacco ionico reattivo potrebbe creare solo strutture dello spessore di 0,05 millimetri:quando gli ioni (atomi caricati elettricamente) vengono accelerati da un campo elettrico, non solo rimuovono gli strati di diamante nei punti selezionati; divorano anche la maschera che definisce la forma desiderata. La profondità delle strutture ottenibili è quindi limitata dalla resistenza e dallo spessore della maschera. In meno di sei mesi, Adrien Toros, un assistente scientifico presso l'Istituto di Microelettronica dell'EPFL, ha sviluppato una maschera a doppio strato costituita da uno strato di alluminio, che aderisce bene al diamante, posto sotto un secondo strato di biossido di silicio, che è denso e più resistente all'attività ionica. Il risultato è un processo di incisione più veloce che consente di ottenere quasi verticalmente, e più profondo, tagli.
Con il sostegno di Innosuisse (ex CTI), il team prevede di proseguire la collaborazione con il produttore svizzero di diamanti sintetici Lake Diamond, con cui il team ha depositato un brevetto. "A medio termine questa nuova tecnica ci consentirà di produrre e commercializzare componenti micrometrici precisi, e di conseguenza ampliare il nostro campo di attività", dice Pasquale Gallo, l'amministratore delegato della società.
In un secondo progetto, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare componenti ottici da diamante ultrapuro, come gli obiettivi utilizzati nella termografia, che operano all'interno dello spettro infrarosso, nonché componenti laser per il taglio industriale.
"Quando il mio progetto di ricerca è iniziato nel 2015, Non ho mai previsto tutte le applicazioni industriali", dice Niels Quack. "Ma abbiamo visto rapidamente il potenziale del nostro lavoro e siamo riusciti a trasformarlo in applicazioni pratiche grazie al supporto della Gebert Rüf Stiftung. Per me, questa è una perfetta illustrazione di come la ricerca di base spesso si traduca in applicazioni che nessuno aveva previsto, ma che sono attraenti per l'industria. L'importante è avere una mentalità aperta".
