(Phys.org)—L'usura è un dato di fatto. Mentre le superfici si sfregano l'una contro l'altra, si rompono e perdono la loro forma originale. Con meno materiale per iniziare e funzionalità che spesso dipendono in modo critico dalla forma e dalla struttura della superficie, l'usura colpisce gli oggetti su scala nanometrica più fortemente di quanto non faccia le loro controparti su scala macroscopica.

Peggio, i meccanismi alla base dei processi di usura sono meglio compresi per cose come i motori delle automobili rispetto ai dispositivi nanotecnologici. Ma ora, i ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania hanno dimostrato sperimentalmente uno dei meccanismi alla base dell'usura su scala più piccola:il trasferimento di materiale, atomo per atomo, da una superficie all'altra.

La ricerca è stata condotta da Tevis Jacobs, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Robert Carpick, cattedra di Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Su scala nanometrica, l'usura è principalmente intesa attraverso due processi, frattura e deformazione plastica. La frattura è dove grandi pezzi di una superficie si staccano contemporaneamente, come quando la punta di una matita si stacca nel bel mezzo di una frase. La deformazione plastica è ciò che accade quando la superficie cambia forma o si comprime senza rompersi, come quando il filo del coltello si smussa o si piega.

Questi meccanismi colpiscono tipicamente migliaia o milioni di atomi alla volta, considerando che l'usura su scala nanometrica spesso procede attraverso un processo molto più graduale. Determinare i meccanismi alla base di questo processo più graduale è la chiave per migliorare tali dispositivi.

"Su scala nanometrica, l'usura è un problema molto significativo, " Dice Jacobs. "La nanotecnologia sta sviluppando parti sempre più piccole per macchine molto piccole. Le loro interfacce di contatto si consumano molto rapidamente, a volte sopravvivono per centinaia di cicli quando hanno bisogno di sopravvivere per trilioni o più."

Un meccanismo di usura ipotizzato su scala nanometrica è un processo noto come attrito atomico. Là, gli atomi da una superficie vengono trasferiti all'altra superficie tramite una serie di singole reazioni chimiche di formazione e rottura del legame. Altri ricercatori hanno tentato di testare questo processo mettendo a contatto due superfici e facendo scorrere l'una contro l'altra.

Quelle indagini precedenti riguardavano i microscopi a forza atomica. L'uso di un AFM comporta il trascinamento di una punta molto affilata montata su un cantilever flessibile su una superficie mentre un laser puntato sul cantilever misura con precisione quanto si muove la punta. Usando la punta come una delle superfici in un esperimento di usura, i ricercatori possono controllare con precisione la distanza di scorrimento, velocità di scorrimento e carico nel contatto. Ma l'AFM non visualizza affatto l'esperimento; il volume degli atomi persi dalla punta può essere dedotto o esaminato solo a posteriori, e i meccanismi di usura concorrenti, frattura e deformazione plastica non possono essere escluse.

La svolta del team Penn è stata quella di condurre esperimenti di usura in stile AFM all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione, o TEM, che fa passare un fascio di elettroni attraverso un campione (in questo caso, la punta su scala nanometrica) per generare un'immagine del campione, ingrandito più di 100, 000 volte.

Modificando uno strumento di prova meccanica commerciale che funziona all'interno di un TEM, i ricercatori sono stati in grado di far scorrere una superficie piatta diamantata contro la punta di silicio di una sonda AFM. Inserendo il gruppo sonda-cantilever all'interno del TEM ed eseguendo l'esperimento di usura lì, sono stati in grado di misurare contemporaneamente la distanza di scorrimento della punta, la forza con cui è entrato in contatto con il diamante e il volume degli atomi rimossi in ogni intervallo di scorrimento.

"Possiamo guardare l'intero processo dal vivo per vedere cosa succede mentre le superfici sono a contatto, " disse Jacobs. "Allora, dopo ogni passaggio, usiamo il TEM come una macchina fotografica e scattiamo una foto con un ingrandimento ancora maggiore della punta. Possiamo tracciare il suo contorno e vedere quanto volume è stato perso, fino a 25 nanometri quadrati, o circa 1250 atomi.

"Stiamo misurando variazioni di volume che sono mille volte più piccole di quelle che si possono osservare utilizzando altre tecniche per il rilevamento dell'usura".

Sebbene questo nuovo metodo di microscopia non possa visualizzare i singoli atomi che si spostano dalla punta di silicio al punzone di diamante, ha permesso ai ricercatori di vedere la struttura atomica della punta usurata abbastanza bene da escludere la frattura e la deformazione plastica come meccanismo dietro l'usura della punta. Dimostrare che gli atomi di silicio dalla punta si legavano al diamante e poi rimanevano indietro implicava la combinazione dei dati visivi e di forza in un test matematico.

"Se l'attrito atomico è ciò che sta accadendo, "Carpick ha detto, "quindi la velocità con cui si formano quei legami e la dipendenza dallo stress da contatto - la forza per unità di area - è una scienza ben consolidata. Ciò significa che possiamo applicare la cinetica chimica, o teoria della velocità di reazione, al processo di usura."

Ora che potevano misurare il volume degli atomi rimossi, la distanza di scorrimento della punta e la forza di contatto per ogni prova sperimentale, i ricercatori potrebbero calcolare la velocità con cui si formano i legami silicio-diamante in condizioni diverse e confrontarla con le previsioni basate sulla teoria della velocità di reazione, una teoria che viene abitualmente utilizzata in chimica.

"Più forza gli atomi sono sotto, più è probabile che formino un legame con un atomo sulla superficie opposta, quindi il tasso di usura dovrebbe accelerare esponenzialmente con ulteriore stress, " Jacobs ha detto. "Vedendo che nei dati sperimentali era una prova inconfutabile. L'andamento dei dati implica che possiamo prevedere il tasso di usura della punta, conoscendo solo i livelli di stress nel contatto, fintanto che questo meccanismo di usura è dominante."

Per adesso, quelle previsioni possono essere fatte solo sull'usura del silicio sul diamante nel vuoto, sebbene la scelta di questi due materiali non sia stata casuale. Sono comuni nei dispositivi e negli strumenti su scala nanometrica per la nanoproduzione.

La matematica dietro il meccanismo di attrito atomico potrebbe eventualmente essere applicata in modo fondamentale.

"L'obiettivo di questo percorso di ricerca è arrivare al punto in cui mi dici i materiali a contatto, e tu mi dici il periodo in cui sono in contatto e le sollecitazioni applicate e io sarò in grado di dirti la velocità con cui verranno rimossi gli atomi, "ha detto Jacobs.

"Con una comprensione fondamentale dell'usura, puoi progettare abilmente le superfici e scegliere i materiali per realizzare dispositivi più durevoli, " ha detto Carpick.

Questo fondamentale, la comprensione predittiva dell'usura potrebbe migliorare notevolmente la progettazione nanomeccanica, aumentando la funzionalità e riducendo i costi.