Quando si apre un sacchetto di patatine o si inserisce un DVD, probabilmente stai mettendo mano alla deposizione sputtering. No, non correre per il sapone.

La deposizione sputter è un processo industriale utilizzato dagli anni '70 per spruzzare -- sputter, cioè -- film sottili su vari supporti, come il rivestimento metallico sui sacchetti di patatine, la superficie riflettente dei DVD, o l'elettronica sui chip dei computer.

Soprattutto, il processo funziona molto bene. In una camera a vuoto riempita con un gas inerte, come l'argon, l'alta tensione viene applicata a un magnete. Questo eccita l'argon, quale, a sua volta, urta particelle di, dire, metallo di tungsteno da una sorgente vicino al magnete nella nube di gas. Alcuni di questi estremamente caldi, particelle di tungsteno cariche sfrecciano ad alta velocità attraverso l'argon e si depositano sul bersaglio, formando un film sottile.

Ma a volte i rivestimenti si staccano o il prodotto si piega su se stesso e si screpola, come se il film fosse stato teso prima di essere applicato sulla superficie. Altri tempi, i film sono semplicemente troppo grezzi. Per decenni, gli scienziati sono rimasti sconcertati - e i produttori frustrati - sul motivo per cui si verificano questi problemi.

Ora i ricercatori dell'Università del Vermont e dell'Argonne National Laboratory vicino a Chicago hanno una spiegazione:"sono nanoparticelle, "dice Randy Headrick, professore di fisica all'UVM, "attaccare e tirare insieme".

La scoperta, guidato dallo studente laureato di Headrick, Lan Zhou, è stato pubblicato il 10 agosto sulla rivista Revisione fisica B .

Utilizzando raggi X ad alta potenza, il team ha misurato la dimensione delle particelle di tungsteno che si depositano su un bersaglio ed è rimasto sbalordito. Al di sopra di una pressione critica nel gas argon (otto milionesimi di atmosfera), la dimensione è saltata improvvisamente. Invece di singoli atomi o molecole di più atomi - come ci si aspetterebbe nell'alto calore, ambiente ad alta velocità di una camera sputtering:hanno rilevato blob relativamente giganteschi di centinaia di atomi:ciò che i ricercatori chiamano "aggregazione di nanoparticelle".

"È una condensa, come nuvole, come nebbia, "dice Headrick, "questo è qualcosa che davvero non ci aspettavamo."

Queste nanoparticelle si uniscono e si fondono, tirando il film stretto come vengono eliminati piccoli "nano-vuoti" tra le particelle. Questo può creare stress in film sottili abbastanza forti da tirare i wafer elettronici in una forma a tazza o ruvidità che distorce i delicati rivestimenti delle lenti ottiche.

"Nessuno si rendeva conto che in fase gassosa si poteva produrre una particella così grande, "dice Al Macrander, un fisico all'Argonne National Laboratory e coautore dell'articolo. "Sono molto energici, quindi è controintuitivo che si attacchino -- a causa della loro velocità, " dice. Ma bastone lo fanno.

Nella camera di deposizione sputtering, "le particelle iniziano con temperature intorno ai diecimila gradi, "Spiega Randy Headrick di UVM. Ma anche se si stanno muovendo nel gas, si raffreddano leggermente e "una volta raffreddati, " lui dice, "vogliono tornare ad essere un solido."

"Questo ha grandi implicazioni, "Macrander dice, "per molti settori, non solo ottica." Da parte sua, è probabile che le nuove scoperte contribuiscano ad accelerare la creazione di lenti a raggi X avanzate che ha contribuito a sviluppare.

Finora, gli sforzi per realizzare queste lenti non hanno avuto successo poiché il processo di deposizione per polverizzazione ha prodotto rivestimenti che sono ancora troppo ruvidi con troppa tensione, nonostante l'utilizzo di tecniche all'avanguardia.

"Queste lenti hanno lo scopo di focalizzare i raggi X su dimensioni più piccole di quelle mai raggiunte, " Egli ha detto, "fino a un nanometro". Per realizzare queste lenti sono necessari più di mille strati di film sottile. "Lo stress si accumula e diventa un problema, " lui dice.

La nuova visione del team sulla fisica di base della deposizione sputtering indica la strada verso una soluzione, ma l'equazione è complessa. "Se vuoi ottenere superfici davvero lisce, devi depositare a pressioni di argon inferiori, " dice Lan Zhou di UVM. Ma a questa pressione molto bassa, le particelle colpiscono con una velocità tale che i film sottili vogliono espandersi, creando il problema opposto separando i film.

"È ancora una domanda aperta:cosa fai per fare un film senza stress e il più fluido possibile?" dice Headrick.

"Almeno ora capiamo cosa sta succedendo, "dice Zhou, "così le persone possono cercare di ottimizzare le condizioni di deposizione del film, per struttura e ruvidità."

Ancora, quali sono i problemi in un'applicazione potrebbero essere un vantaggio in altri. "C'è molto di più in questa scoperta rispetto ai rivestimenti delle lenti, "dice Headrick, "ci sono molti tipi di materiali in cui si vogliono creare nanoparticelle, come alcuni tipi di convertitori catalitici o celle solari. Questo potrebbe essere un buon modo per produrre nanoparticelle a basso costo".

Ma il costo per capirlo era alto. "Ci sono voluti anni per capirlo, "dice Zhou, con il sorriso un po' consumato che i dottorandi indossano meglio, "era difficile pensare a particelle aggregate che si formavano nel mezzo di un flusso".