Finalmente, el cargador de tu teléfono se va a morir.

Mes tras mes de ser empujado y jalado hacia adentro y hacia afuera de su puerto degradará la película protectora que recubre el conector. Y luego, por lo general, cuando más lo necesita, tu cargador lo patea, tu teléfono pronto sigue, y la vida como la conoces se deshace. Al menos por un tiempo.

Este colapso inevitable le ocurre, por supuesto, a todo, desde sistemas industriales hasta vehículos y nanoelectrónica. La fricción hace que las partes se arrastren unas contra otras, que desperdicia energía y desgasta materiales.

De hecho, Se estima que estas pérdidas debidas a fricciones cuestan a los países desarrollados entre el 0,5 y el 7 por ciento de su PIB anual. Un informe de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Departamento de Energía (ARPA-E) establece que mejores prácticas tribológicas podrían ahorrar un billón de BTU al año, o el equivalente a alrededor del 1 por ciento del consumo energético anual de los Estados Unidos. (La tribología es el estudio y la aplicación de los principios de fricción, lubricación, y desgaste.)

Una de esas prácticas es crear más películas protectoras más resistentes al desgaste. En una colaboración interdisciplinar, Los investigadores de la Universidad de Lehigh, el Dr. Nicholas Strandwitz y el Dr. Brandon Krick, que forman parte de la facultad de P.C. de Lehigh. Rossin College of Engineering and Applied Science y afiliado al Instituto de Materiales y Dispositivos Funcionales (I-FMD) de la universidad, creen que han descubierto lo más difícil, más delgado la mayoría de los recubrimientos resistentes al desgaste hasta el momento:una capa atómica mejorada con plasma deposita nitruros de titanio y vanadio.

"Este nuevo material supera a los recubrimientos comerciales por órdenes de magnitud en rendimiento de desgaste, "dice Krick.

En agosto de 2018, la National Science Foundation (NSF) otorgó a Strandwitz, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y Krick, un profesor asistente de ingeniería mecánica y mecánica, un premio Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI) para trabajar con un socio de la industria para estudiar qué es exactamente lo que hace que estas películas de nitruro sean tan buenas.

Un premio GOALI apoya intereses de investigación compartidos entre socios académicos e industriales. Está destinado a ampliar el conocimiento que podría conducir a avances en necesidades industriales críticas. El premio tiene una duración de tres años, y un total de más de $ 500, 000. El financiamiento para el proyecto de nitruros comenzó el 1 de enero de 2019.

Bajas temperaturas, conformidad y precisión producen una dureza similar a la del diamante

Ya se sabe que las películas de nitruro de titanio y vanadio son extremadamente duras y resistentes al desgaste. Tradicionalmente, crecen escupiendo, deposición de láser pulsado, o métodos de deposición de vapor químico. En una primera Los colaboradores del grupo en Veeco / CNT cultivaron sus películas de nitruro utilizando deposición de capa atómica mejorada con plasma, o PE-ALD. Veeco / CNT es un proveedor líder de sistemas ALD con sede en Waltham, Massachusetts.

"En la deposición de la capa atómica, estás construyendo una capa de átomos a la vez, ", dice Strandwitz." Es una técnica que ya se utiliza en microelectrónica, como en los de tu teléfono, donde podría necesitar una película que tenga exactamente tres nanómetros de espesor. Si la película es de cuatro, o dos, nanómetros de espesor, su interruptor de transistor no funcionará. Y tienes varios miles de millones de transistores en tu teléfono ".

La técnica implica un proceso de vapor que utiliza dos o más reacciones químicas autolimitantes para hacer crecer una capa de película a la vez. En este caso, un precursor de titanio entra en la cámara del sistema como gas, reacciona con el sustrato, y forma una monocapa. El exceso de titanio se succiona, luego el segundo gas, plasma de nitrógeno, se bombea. Se adhiere al titanio, y forma una segunda monocapa. Este proceso de dos pasos se repite hasta que la película alcanza el espesor deseado.

La técnica se ve reforzada por un generador de plasma, de ahí el PE en el PE-ALD.

"Para el cultivo de nitruros, necesitas mucha energía térmica, como 800 grados centígrados, "dice Strandwitz". O, necesita un plasma para hacer que el nitrógeno sea más reactivo. Generar plasma significa que estamos eliminando electrones de las moléculas de nitrógeno mientras vuelan en el gas, haciendo que el nitrógeno sea más reactivo para que se adhiera a la superficie y se convierta en parte de la película. Si simplemente hace flotar gas nitrógeno por allí, no pasaría nada porque la molécula de N2 es súper estable. Entonces con el plasma, podemos cultivar estas películas a 50 grados Celsius, ligeramente por encima de la temperatura ambiente ".

La capacidad de hacer crecer películas a esa temperatura es clave. Las temperaturas demasiado altas pueden derretir materiales sensibles como el plástico y el aluminio y hacer que incluso los metales bastante estables sean más frágiles. dice Strandwitz.

"Tener la capacidad de depositar a bajas temperaturas abre más materiales sobre los que puede depositar, " él dice.

PE-ALD también se destaca por su conformidad y precisión. A diferencia de las técnicas de deposición de línea de visión que pueden dejar huecos o sombras, los gases utilizados en PE-ALD aseguran que toda la superficie de un sustrato esté cubierta, no importa su forma o la complejidad de sus características. Y las reacciones autolimitadas aseguran que la cobertura se lleve a cabo con una sola capa de moléculas a la vez, no más, no menos.

Cuando Krick realizó pruebas preliminares de las propiedades de dureza y desgaste de las películas de nitruro de valdio y titanio cultivadas con PE-ALD, estaba impresionado por los resultados.

"Estas películas se acercan a la resistencia al desgaste de los diamantes, "dice Krick." Son 100 veces mejores que los recubrimientos comerciales de nitruro. Por ejemplo, si intentas usar 10 nanómetros, se necesitarían 50 ciclos de deslizamiento hacia adelante y hacia atrás para desgastar tanto en el revestimiento comercial. Se necesitarían 5, 000 con este material. Todo depende del ciclo la duración de algo depende de cuántos de estos ciclos de trabajo atraviese. Así que piensa en ese enchufe del cargador de tu teléfono. Algo así podría pasar de desgastarse en un año o 18 meses, que nunca se agote en su vida ".

Bajando las barreras al descubrimiento

Con el premio GOALI, Strandwitz y Krick trabajarán con Veeco / CNT. El equipo multidisciplinario incluye a Strandwitz, cuya experiencia incluye ALD y películas delgadas, Krick el especialista en tribología, y colaboradores Mark Sowa en Veeco / CNT y Alexander Kozen en el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, ambos científicos de renombre mundial en el campo de la instrumentación y el procesamiento de ALD. El equipo también incluye un grupo de talentosos graduados y Ph.D. Estudiantes de Lehigh, incluidos los becarios de la NSF, Tomas Babuska y Guosong Zeng, un doctorado alumno del laboratorio de Krick que ahora se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Los científicos cultivarán las películas mientras el equipo de Strandwitz examinará su microestructura y el equipo de Krick medirá sus propiedades mecánicas. Ellos "girarán las perillas" como dice Strandwitz, en variables como la temperatura, la cantidad de titanio que utilizan en relación con el vanadio, y el uso de oxígeno en las películas.

Todo para determinar qué hace que estas películas sean tan especiales.

"Si sabemos por qué son tan buenos, podríamos diseñar un nuevo material que lo explote aún más, "dice Strandwitz." Entonces, si quisiéramos una película que tuviera ciertas propiedades de dureza o propiedades de desgaste, si entendemos cómo funciona el sistema, podemos ajustarlo para eso ".

Pueden ver numerosas aplicaciones potenciales para las películas, que también son superconductores resistentes a la corrosión, especialmente en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y sistemas microelectromecánicos (MEMS).

"Esta técnica es útil para cualquier cosa que tenga muchos piezas móviles que necesitan revestimientos muy finos, "dice Strandwitz.

Eso incluye muchas cosas en muchos campos:aeroespacial, medicamento, comunicaciones, transporte, defensa, industria. Prácticamente cualquier cosa que se mueva. Y cuando todas esas cosas se muevan más fácilmente y duren más, el uso de energía y el desperdicio de materiales disminuyen, beneficiando tanto a la economía como al medio ambiente.

"Lo asombroso es que hemos medido muchos materiales en nuestro laboratorio y este es, con mucho, el mejor, ", dice Krick." Es realmente emocionante profundizar y comprender por qué es tan bueno, y cómo se puede utilizar para impactar realmente en estas diversas aplicaciones ".

No es de extrañar que un impacto tan profundo requiera la fusión de disciplinas. Y es posible que Strandwitz y Krick nunca hubieran llegado tan lejos si no hubieran sido tan buenos colaboradores y amigos. Estaban pasando el rato un día cuando Strandwitz mencionó un material genial que estaba investigando, y muy pronto Krick lo estaba probando en su laboratorio.

"Creo que si cada uno de nosotros trabajara en el vacío, nadie hubiera medido nunca las propiedades mecánicas de estas películas, "dice Krick." Nunca sabría acerca de esta técnica de deposición. Los materiales están ahí los chicos de Veeco / CNT pueden hacer todo tipo de materiales, pero sin el aspecto interdisciplinario, nunca sabrías para qué sirven. Realmente reduce las barreras para el descubrimiento ".