I ricercatori del Technion hanno scoperto la natura degli strati di spessore nanometrico tra materiali diversi e hanno scoperto che hanno proprietà sia solide che liquide. Facendo così, i ricercatori hanno apportato un'aggiunta cruciale alla teoria di Gibbs che descrive gli aspetti fondamentali della termodinamica delle interfacce.

Il documento recentemente pubblicato in Scienza dimostra sperimentalmente che la formazione di uno strato molto sottile (dell'ordine di un nanometro di spessore) alle interfacce riduce l'energia di interfaccia, e promuove l'adesione e la stabilità dell'interfaccia. Lo strato sottile non è uno stato convenzionale della materia, in quanto non è né solido né liquido, ma piuttosto qualcosa nel mezzo.

I risultati potrebbero consentire agli scienziati di migliorare la resilienza del legame tra materiali ceramici e metalli, due tipologie di materiali che “non amano” entrare in contatto. Le numerose applicazioni del mondo reale includono utensili da taglio per la lavorazione dei metalli; compositi per pastiglie dei freni; le giunzioni tra fili metallici conduttori e chip nei computer; e l'applicazione di rivestimenti ceramici protettivi sulle pale dei motori a reazione.

“Finora, nessuno era stato in grado di capire perché esistessero questi strati sottili, o se fossero uno stato temporaneo o di equilibrio, ” spiega il prof. Wayne D. Kaplan, Preside del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali del Technion. “Mentre si conosceva la loro esistenza alle interfacce tra i cristalli di ceramica e sulla superficie del ghiaccio, c'era un dibattito in corso sulla causa di questo fenomeno e le sue proprietà."

Attraverso una lunga serie di esperimenti, Il Dr. Mor Baram ha dimostrato che esiste uno strato sottile all'interfaccia tra metalli e materiali ceramici, che riduce l'energia di interfaccia. La ricerca era il lavoro di dottorato del Dr. Baram, ed è stato condotto sotto la supervisione del Prof. Kaplan in collaborazione con il Dr. Dominique Chatain del CNRS in Francia.

“Questo fenomeno ci permette di pattinare sul ghiaccio, riduce le proprietà meccaniche dei materiali ceramici alle alte temperature, influenza la morfologia dei cristalli nei moderni materiali di ingegneria policristallina, e contribuisce alla stabilità dei moderni dispositivi microelettronici, ” afferma il prof. Kaplan.

Il team ha condotto nuovi esperimenti al Technion utilizzando il nuovo microscopio elettronico "Titan" e un fascio ionico focalizzato (FIB). Ciò includeva la placcatura dello zaffiro con un sottile film d'oro (0,6 micron di spessore) (per confronto, una singola ciocca di capelli ha uno spessore di 80-100 micron), e riscaldando i campioni fino a raggiungere l'equilibrio (cioè fino a quando il film d'oro si è rotto in miliardi di minuscoli cristalli d'oro sullo zaffiro). I ricercatori hanno anche incluso una fonte di elementi sullo zaffiro noto per svolgere un ruolo nella formazione dello strato tra diversi materiali (in questo caso, silicio e calcio). Quando i campioni hanno raggiunto l'equilibrio, il calcio e il silicio si spostarono all'interfaccia tra l'oro e lo zaffiro, e un sottile (0,0012 micron, o 1,2 nanometri di spessore) è stato creato.

I ricercatori sono stati quindi in grado di misurare con successo l'energia immagazzinata tra l'oro e lo zaffiro in presenza dello strato sottile. Facendo così, hanno dimostrato che la sua presenza diminuisce l'energia dell'interfaccia, e quindi ne migliora la stabilità.