Per modificare una superficie metallica a livello di atomi e molecole, ad esempio per rifinire il cablaggio nei chip dei computer o l'argento riflettente nei componenti ottici, i produttori la inondano di ioni. Sebbene il processo possa sembrare high-tech e preciso, la tecnica è stata limitata dalla mancanza di comprensione della fisica sottostante. In un nuovo studio, Gli ingegneri della Brown University hanno modellato bombardamenti di ioni di gas nobile con una ricchezza senza precedenti, fornendo approfondimenti a lungo ricercati su come funziona.

"I modelli di superficie e le sollecitazioni causate dai bombardamenti con fasci di ioni sono stati ampiamente studiati sperimentalmente ma finora non è stato possibile prevederli con precisione, " disse Kyung-Suk Kim, professore di ingegneria alla Brown e coautore dello studio pubblicato il 23 maggio su Atti della Royal Society A . "La nuova scoperta dovrebbe fornire capacità di progettazione predittiva per il controllo dei modelli di superficie e delle sollecitazioni nei prodotti nanotecnologici".

La migliore comprensione potrebbe aprire la porta a nuove tecnologie, Kim ha detto, come nuovi approcci per rendere l'elettronica flessibile, superfici biocompatibili per dispositivi medici, e superfici più resistenti ai danni e alle radiazioni. La ricerca si applica ai metalli cosiddetti "FCC" come il rame, d'argento, oro, nichel, e alluminio. Quei metalli sono cristalli costituiti da disposizioni cubiche di atomi con uno in ogni angolo e uno in ogni centro della faccia del cubo.

Gli scienziati hanno cercato di spiegare il complicato processo per decenni, e più recentemente hanno iniziato a provare a modellarlo sui computer. Kim ha detto che l'analisi della squadra Brown, tra cui l'autore principale e studioso postdottorato Sang-Pil Kim, era più sofisticato dei precedenti tentativi che si concentravano su un singolo evento di bombardamento e solo su difetti puntuali isolati all'interno del substrato metallico.

"In questo lavoro, per la prima volta, indaghiamo il comportamento collettivo di quei difetti durante i bombardamenti ionici in termini di combinazioni ione-substrato, " disse Kyung-Suk Kim.

Il nuovo modello ha rivelato come i bombardamenti ionici possono mettere in moto tre meccanismi principali in una manciata di trilionesimi di secondo. I ricercatori hanno soprannominato i meccanismi "formazione a doppio strato, " "Crescita della modalità di scorrimento della metropolitana, " e "eruzione dell'isola dell'adatom".

Quando gli ioni colpiscono la superficie metallica, lo penetrano, buttare via gli atomi vicini come palle da biliardo in un processo simile, a livello atomico, allo scioglimento. Ma piuttosto che semplicemente rotolare via, gli atomi sono più simili a palle da biliardo magnetiche in quanto tornano insieme, o consolidare, anche se in ordine diverso.

Alcuni atomi sono stati spostati fuori posto. Ci sono dei posti vacanti nel cristallo più vicino alla superficie, e gli atomi lì si uniscono nello spazio vuoto, che crea uno strato con più tensione. Sotto c'è uno strato con più atomi che vi sono stati buttati dentro. Questo affollamento di atomi crea compressione. Quindi ora ci sono due strati con diversi livelli di compressione e tensione. Questa "formazione a doppio strato" è il precursore della "crescita della modalità di scorrimento della metropolitana" e dell'"eruzione dell'isola di adatom".

Un segno distintivo dei materiali che sono stati bombardati con ioni è che a volte producono uno schema di materiale che sembra essere uscito dalla superficie originale. In precedenza, Kyung-Suk Kim ha detto, gli scienziati pensavano che gli atomi spostati sarebbero tornati in superficie come un pesce ucciso in un'esplosione subacquea. Ma ciò che mostrano i modelli del team è che queste isole molecolari sono formate da interi gruppi di atomi spostati che si legano insieme e sembrano risalire in superficie.

"Il processo è analogo alle persone che salgono su un treno della metropolitana nelle stazioni suburbane, e tutti insieme escono in superficie quando il treno arriva in una stazione del centro durante l'ora di punta mattutina, " disse Kyung-Suk Kim.

I meccanismi, offrendo una nuova spiegazione per gli effetti del bombardamento ionico, sono solo l'inizio di questa ricerca.

"Come passo successivo, Svilupperò modelli di previsione per l'evoluzione dei nanopattern durante il bombardamento ionico che possono guidare i processi di nanofabbricazione, " Sang-Pil Kim ha detto. "Questa ricerca sarà estesa anche ad altre applicazioni come materiali morbidi o duri in condizioni estreme".