Para modificar una superficie de metal a la escala de átomos y moléculas, por ejemplo para refinar el cableado en chips de computadora o la plata reflectante en componentes ópticos, los fabricantes la bañan con iones. Si bien el proceso puede parecer de alta tecnología y preciso, la técnica se ha visto limitada por la falta de comprensión de la física subyacente. En un nuevo estudio, Los ingenieros de la Universidad de Brown modelaron los bombardeos de iones de gas noble con una riqueza sin precedentes, Proporcionando información sobre cómo funciona durante mucho tiempo.

"Los patrones de superficie y las tensiones causadas por los bombardeos con haces de iones se han estudiado exhaustivamente de forma experimental, pero hasta ahora no se han podido predecir con precisión. "dijo Kyung-Suk Kim, profesor de ingeniería en Brown y coautor del estudio publicado el 23 de mayo en la Actas de la Royal Society A . "Se espera que el nuevo descubrimiento proporcione capacidad de diseño predictivo para controlar los patrones de superficie y las tensiones en productos de nanotecnología".

La mejor comprensión podría abrir la puerta a nuevas tecnologías, Kim dijo, como nuevos enfoques para hacer electrónica flexible, superficies biocompatibles para dispositivos médicos, y superficies más tolerantes a los daños y resistentes a la radiación. La investigación se aplica a los llamados metales "FCC" como el cobre, plata, oro, níquel, y aluminio. Esos metales son cristales formados por arreglos cúbicos de átomos con uno en cada esquina y uno en cada centro de cara cúbica.

Los científicos han estado tratando de explicar el complicado proceso durante décadas, y más recientemente han comenzado a intentar modelarlo en computadoras. Kim dijo que el análisis del equipo de Brown, incluido el autor principal y académico postdoctoral Sang-Pil Kim, fue más sofisticado que los intentos anteriores que se centraron en un solo evento de bombardeo y solo defectos puntuales aislados dentro del sustrato metálico.

"En este trabajo, por primera vez, investigamos el comportamiento colectivo de esos defectos durante los bombardeos de iones en términos de combinaciones de iones y sustrato, "Dijo Kyung-Suk Kim.

El nuevo modelo reveló cómo los bombardeos de iones pueden poner en movimiento tres mecanismos principales en cuestión de billonésimas de segundo. Los investigadores llamaron a los mecanismos "formación de doble capa, "" Crecimiento del modo de deslizamiento del metro, "y" erupción de la isla adatom ". Son una consecuencia de cómo los iones entrantes derriten el metal y luego cómo se resolidifica con los iones ocasionalmente atrapados en su interior.

Cuando los iones golpean la superficie del metal, lo penetran, derribando átomos cercanos como bolas de billar en un proceso similar, a nivel atómico, a derretirse. Pero en lugar de simplemente rodar, los átomos se parecen más a bolas de billar magnéticas en el sentido de que vuelven a unirse, o resolidificar, aunque en un orden diferente.

Algunos átomos se han desplazado fuera de lugar. Hay algunas vacantes en el cristal más cerca de la superficie, y los átomos allí se juntan a través del espacio vacío, que crea una capa con más tensión. Debajo hay una capa con más átomos que han sido golpeados. Ese apiñamiento de átomos crea compresión. Por lo tanto, ahora hay dos capas con diferentes niveles de compresión y tensión. Esta "formación de doble capa" es la precursora del "crecimiento en modo de deslizamiento del metro" y la "erupción de la isla adatom".

Un sello distintivo de los materiales que han sido bombardeados con iones es que a veces producen un patrón de material que parece haber salido de la superficie original. Previamente, Kyung-Suk Kim dijo:Los científicos pensaban que los átomos desplazados simplemente volverían a subir a la superficie como peces muertos en una explosión submarina. Pero lo que muestran los modelos del equipo es que estas islas moleculares están formadas por grupos completos de átomos desplazados que se unen y parecen deslizarse hacia la superficie.

"El proceso es análogo a las personas que se suben a un tren subterráneo en las estaciones suburbanas, y todos salen juntos a la superficie una vez que el tren llega a una estación del centro durante la hora pico de la mañana, "Dijo Kyung-Suk Kim.

Los mecanismos, al tiempo que ofrece una nueva explicación de los efectos del bombardeo de iones, son solo el comienzo de esta investigación.

"Como siguiente paso, Desarrollaré modelos de predicción para la evolución de nanopatrones durante el bombardeo iónico que pueden guiar los procesos de nanofabricación. ", Dijo Sang-Pil Kim." Esta investigación también se ampliará a otras aplicaciones, como materiales blandos o duros en condiciones extremas ".