Gli scienziati dei materiali della TU Darmstadt stanno imprimendo nano-pattern nei metalli, una tecnologia in grado di conferire alle superfici metalliche una funzionalità permanente, come un effetto loto o proprietà di attrito ridotte.

Un fornaio specializzato nei biscotti speziati Spekulatius mangiati in Germania nel periodo natalizio e Paul Braun, uno studente di dottorato presso il gruppo di Metallurgia Fisica nel Dipartimento di Materiali e Scienze della Terra presso la TU Darmstadt hanno una cosa in comune:entrambi trascorrono parte del loro tempo a imprimere disegni nei materiali – quello nell'impasto per biscotti; l'altro in metallo. Però, mentre gli animali, figure, e i mulini a vento tipicamente impressi nei biscotti di Natale sono facilmente identificabili, Le impronte di Braun sono troppo piccole per essere invisibili a occhio nudo. Sono formati nel metallo usando un minuscolo stampo di diamante non più grande della punta di un ago. "Il diamante è perfetto per il compito", Braun spiega, "poiché è un materiale estremamente duro che è tutt'altro che impermeabile all'usura."

Per poter essere utilizzato per la goffratura, il diamante è bloccato in un dispositivo speciale, un cosiddetto nanoindentatore. In realtà, gli scienziati dei materiali della TU Darmstadt di solito usano il nanoindentatore per scopi completamente diversi, come testare la durezza, comportamento alla frattura, e altre proprietà di vari materiali. Questi test comportano tutti l'uso di uno stilo diamantato che viene premuto nel materiale da testare, per cui viene applicata una forza e la profondità di indentazione viene misurata su scala nanometrica. Inoltre, il dispositivo può essere utilizzato in combinazione con un microscopio elettronico a scansione (SEM) per studiare la fessurazione di rivestimenti sottili durante il processo di indentazione. Il supervisore del dottorato di Braun Dr. Karsten Durst, Professore di Metallurgia Fisica alla TU Darmstadt, spiega:"La punta di diamante viene premuta a meno di 100 nanometri nel campione durante tali test, in modo che il nanoindentatore possa essere utilizzato per esplorare strati sottilissimi".

Per molti anni ha guidato lo sviluppo di questo metodo per scopi di test sui materiali e ora lo sta usando per affrontare nuovi problemi. Ora prevede di utilizzarlo per l'imprinting su nanoscala di superfici metalliche. Questa tecnologia, che gli esperti chiamano nano-imprinting, è già utilizzato in combinazione con polimeri, per esempio nella fabbricazione di trucioli di plastica che includono canali microscopici e altre strutture. Né la goffratura o l'imprinting del metallo è qualcosa di nuovo in linea di principio, ma fino ad oggi è stato usato solo su scale molto più grandi per cose come il conio di monete. Secondo Durst:"Siamo proprio all'inizio del nano-imprinting delle superfici metalliche, e stiamo ancora esaminando i principi di base di questa tecnologia".

Timbri duri e finemente strutturati

Il primo passo è lo sviluppo di timbri adeguatamente duri e finemente strutturati. Il dottorando Braun è già riuscito a crearne molti riproponendo le punte di diamante di un nano-indentatore, a tal fine si è recato a Brno, nella Repubblica Ceca, per incontrare il produttore di microscopi Tescan, che hanno sviluppato una speciale tecnologia a fascio ionico. Questo viene solitamente utilizzato per la preparazione di campioni per l'esame al microscopio elettronico. Braun, d'altra parte, ha usato il raggio ionico focalizzato per tagliare la parte superiore della sonda diamantata, ricavare una colonna dai resti del diamante, e per fresare il modello desiderato nella sua superficie superiore. Dopo la lucidatura finale con fascio ionico, il francobollo era pronto per l'uso.

La prossima domanda è:quali proprietà deve avere un pezzo di metallo in modo che formi con precisione la struttura superficiale desiderata. Come ogni fornaio Spekulatius sa, la buona riuscita del biscotto dipende dalla consistenza dell'impasto. Lo stesso vale, in linea di principio, al processo di nano-imprinting:la microstruttura del metallo deve essere giusta per garantire che "fluisca" bene nello stampo. Gli scienziati di Darmstadt vogliono essere in grado di imprimere strutture di appena 50 nanometri, ovvero circa 1500 volte più sottili di un capello umano! Il problema:qualsiasi metallo o lega consisterà in una moltitudine di minuscoli, grani ben confezionati. Per la maggior parte dei metalli e delle leghe convenzionali, il diametro di questi grani misura ben al di sopra dei 1000 nanometri. Questo significa, però, che i metalli a granulometria convenzionale resisteranno alla pressione nella forma dello stampo a causa della loro grande granulometria. Questo è il motivo per cui Durst e i suoi colleghi stanno studiando la produzione di metalli a grana più fine, che si inserirà perfettamente negli spazi vuoti dei francobolli.