Materiali che hanno contemporaneamente proprietà contrastanti, ad esempio sono morbide da una parte e dure dall'altra, con una transizione graduale tra le due proprietà, potrebbe consentire applicazioni completamente nuove come le lenti antiriflesso. In natura, tali proprietà di fusione sono infatti comuni, per esempio nelle cozze o nell'occhio umano. Gli scienziati dei materiali della Kiel University hanno utilizzato questo principio per sviluppare nuovi materiali su scala nanometrica. Ora sono riusciti a produrre film di copolimero ultrasottili con proprietà così gradualmente variabili. Come rivestimenti multifunzionali, potrebbero consentire complesse applicazioni ottiche ed elettroniche in formato miniatura, ad esempio per la microelettronica. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Materiali oggi e anche sulla copertina del numero.

Proprietà dei materiali ispirate alla natura

Le cozze possono aderire così saldamente a pietre o moli da non poter essere staccate dalla corrente marina. Affinché il tessuto molle all'interno del guscio di cozza si agganci stabilmente alla superficie dura di un sasso, le cozze formano fili adesivi elastici, Per esempio, che diventano continuamente più difficili verso la fine. Ciò è dovuto alla miscela di proteine ​​che cambia uniformemente da un'estremità all'altra all'interno della fibra.

Sulla base di questo principio della natura, gli scienziati dei materiali a Kiel sviluppano materiali sottili unici con proprietà di fusione simili, cosiddetti film sottili a gradiente. "Per realizzare questo, combiniamo due materiali con proprietà diverse a livello nano, " spiega Stefan Schröder. È il primo autore dello studio e attualmente sta svolgendo il suo dottorato di ricerca presso la Cattedra di materiali multicomponenti. Lo studio mostra un modo per sintetizzare per la prima volta tali gradienti come film polimerici ultrasottili. Schröder e suoi colleghi hanno combinato politetrafluoroetilene (PTFE, meglio conosciuto con il nome commerciale "Teflon") con il polimero PV3D3. La combinazione di materiali risultante potrebbe essere utilizzata, Per esempio, per rivestire gli aerei, frigoriferi, o frontali in vetro per renderli più facili da sbrinare.

Per questo scopo, Schröder e i suoi colleghi hanno sfruttato le diverse proprietà dei due polimeri:il teflon non è noto solo per le sue proprietà antiaderenti, la sua superficie è anche idrofoba. Pertanto, le gocce d'acqua idealmente rotolano immediatamente o si congelano solo leggermente, che facilita anche la rimozione del ghiaccio. Ma il Teflon stesso è difficile da applicare su altre superfici. PV3D3 è invece caratterizzato da buone proprietà adesive. Combinando gradualmente i due materiali a livello nano, il team di ricerca è stato in grado di unirsi a loro in una transizione graduale. Da una parte, il legame è particolarmente buono, e d'altra parte, vengono mantenute proprietà diverse. Il risultato è un materiale di rivestimento con un lato superiore idrorepellente e un lato inferiore ben aderente.

Rivestimenti polimerici sottili, non così facili da produrre

Ma rivestire le superfici con polimeri in modo controllato non è così facile. Esistono già processi di deposizione da vapore o sputtering per il rivestimento con metalli o materiali ceramici, che sono stati utilizzati anche su larga scala industriale per decenni. Però, i polimeri non possono essere semplicemente vaporizzati o spruzzati senza decomposizione. La scienziata statunitense Karen K. Gleason fornisce un rimedio con la tecnica di deposizione chimica da vapore iniziata (iCVD) che ha sviluppato a metà degli anni '90 presso il Massachusetts Institute of Technology MIT, dove Schröder ha trascorso un soggiorno di ricerca nel 2017.

"In questo processo, un gas viene alimentato insieme ad un gas iniziatore in una camera di reazione in cui si trova una superficie di substrato. Il calore provoca la rottura dei legami chimici dell'iniziatore e l'inizio di una reazione a catena, " spiega il relatore del dottorato il professor Franz Faupel, titolare della Cattedra di Materiali Compositi e membro dell'area di ricerca KiNSIS (Kiel Nano, Scienza delle superfici e delle interfacce) presso CAU. Per di qua, un sottile film polimerico "cresce" sulla superficie del substrato dai gas introdotti.

Gli scienziati dei materiali di Kiel sono andati oltre. Hanno utilizzato il processo iCVD non solo per creare un sottile strato di polimero, ma hanno anche unito contemporaneamente due polimeri in una transizione graduale. Dopo aver introdotto il monomero V3D3, hanno aggiunto il materiale di partenza per la deposizione di PTFE e ne hanno continuamente aumentato la concentrazione. Allo stesso tempo, hanno abbassato quello di V3D3, in modo che entrambi formino un film polimerico sul substrato con una graduale transizione da un polimero PV3D3 puro ad un film PTFE puro a partire dalla superficie del substrato.

Una nuova classe di nanomateriali a gradiente organico

Durante la tecnica iCVD, numerosi processi si svolgono in parallelo. "Se vengono modificati singoli parametri come la temperatura del substrato o la pressione del gas monomero nel reattore, il materiale finale acquisisce proprietà diverse. Però, trovare i parametri giusti per le proprietà desiderate è molto complesso, " spiega Schröder. Pertanto, ha dotato il sistema iCVD convenzionale della loro sedia di uno spettrometro di massa a quadrupolo a sorgente ionica aperta. Consente di osservare i processi nella camera di reazione in situ e di regolare contemporaneamente la composizione della miscela di gas dell'iniziatore e dei due monomeri.

Grazie a questo controllo ad alta precisione, il team di ricerca potrebbe sintetizzare uno strato di gradiente polimerico di soli 21 nanometri di spessore. Per confronto:i capelli umani hanno un diametro di circa 50, 000 nanometri. In precedenza, erano possibili solo gradienti macroscopici. "Un film a gradiente così sottile è praticamente un record mondiale e praticamente una nuova classe di nanomateriali organici a gradiente, "dice il dottor Thomas Strunskus, un ricercatore associato nel gruppo di lavoro. "Soprattutto per applicazioni in ottica, rivestimenti di pochi nanometri sono fondamentali per non compromettere le proprietà ottiche di finestre o lenti, ad esempio." Sono già in preparazione i primi progetti con partner industriali del settore delle tecnologie di verniciatura e condizionamento.

Le possibili applicazioni spaziano dalla microelettronica e sensori all'ottica e alla biomedicina

Il processo presentato nello studio può essere utilizzato anche per realizzare altre combinazioni di polimeri con nuove proprietà chimiche e fisiche dei materiali. Interessanti sono anche i film polimerici nanometrici, Per esempio, per componenti e sensori microelettronici flessibili in tecnologia MEMS (sistemi microelettromeccanici) o macchine molecolari che trasferiscono processi meccanici su scala nanometrica.

I risultati ora pubblicati confluiranno anche nel lavoro di diverse associazioni di ricerca sotto l'egida di KiNSIS. "Questi sono strumenti fondamentali per la scienza dei materiali. Le applicazioni vanno dal miglioramento dell'adesione degli strati funzionali nei sensori allo sviluppo di materiali per il rilascio controllato di farmaci alle macchine molecolari, "dice Faupel.