El proceso de CVD comienza con tanques que contienen un material iniciador (rojo) y uno o más monómeros (violeta y azul), que son los componentes básicos del revestimiento de polímero deseado. Estos se vaporizan, ya sea calentándolos o reduciendo la presión, y luego se introducen en una cámara de vacío que contiene el material a recubrir. El iniciador ayuda a acelerar el proceso en el que los monómeros se enlazan en cadenas para formar polímeros en la superficie del material del sustrato.
En un sentido, dice la profesora de ingeniería química del MIT, Karen Gleason, puede rastrear la tecnología de la deposición de vapor químico, o CVD, todo el camino de regreso a la prehistoria:"Cuando los hombres de las cavernas encendieron una lámpara y se depositó hollín en la pared de una cueva, " ella dice, esa era una forma rudimentaria de ECV.
Hoy dia, CVD es una herramienta básica de fabricación, que se utiliza en todo, desde gafas de sol hasta bolsas de patatas fritas, y es fundamental para la producción de gran parte de los productos electrónicos actuales. También es una técnica sujeta a constante refinamiento y expansión, impulsar la investigación de materiales en nuevas direcciones, como la producción de láminas de grafeno a gran escala, o el desarrollo de células solares que podrían "imprimirse" en una hoja de papel o plástico.
En esa última área, Gleason, quien también se desempeña como rector asociado del MIT, ha sido un pionero. Desarrolló lo que tradicionalmente había sido un proceso de alta temperatura utilizado para depositar metales en condiciones industriales en un proceso de baja temperatura que podría usarse para materiales más delicados. tales como polímeros orgánicos. Ese desarrollo, un refinamiento de un método inventado en la década de 1950 por Union Carbide para producir recubrimientos protectores de polímeros, es lo que habilitó, por ejemplo, las células solares imprimibles que han desarrollado Gleason y otros.
Esta deposición de vapor de polímeros ha abierto la puerta a una variedad de materiales que serían difíciles, y en algunos casos imposible, producir de cualquier otra forma. Por ejemplo, muchos polímeros útiles, tales como materiales hidrófugos para proteger componentes industriales o implantes biológicos, están hechos de precursores que no son solubles, y por lo tanto no podría producirse utilizando métodos convencionales basados en soluciones. Además, dice Gleason, el profesor Alexander and I. Michael Kasser en el MIT, el proceso CVD en sí mismo induce reacciones químicas entre revestimientos y sustratos que pueden unir fuertemente el material a la superficie.
El trabajo de Gleason sobre CVD a base de polímeros comenzó en la década de 1990, cuando hizo experimentos con teflón, un compuesto de cloro y flúor. Ese trabajo condujo a un campo ahora floreciente detallado en un nuevo libro editado por Gleason, titulado "Polímeros CVD:fabricación de superficies y dispositivos orgánicos" (Wiley, 2015).
En el momento, la idea era que la única forma de hacer que CVD funcionara con materiales poliméricos era utilizando plasma, un gas cargado eléctricamente, para iniciar la reacción. Gleason intentó realizar experimentos para probar esto, comenzando por ejecutar un experimento de control sin el plasma para demostrar lo importante que era para que el proceso funcionara. En lugar de, su experimento de control funcionó bien sin plasma en absoluto, demostrando que para muchos polímeros este paso no era necesario.
Pero el equipo que utilizó Gleason permitió controlar la temperatura del gas por separado de la del sustrato; tener el sustrato más fresco resultó ser clave. Continuó demostrando el proceso sin plasma con más de 70 polímeros diferentes, abriendo un campo de investigación completamente nuevo.
El proceso puede requerir muchos ajustes, pero es fundamentalmente un simple conjunto de pasos:el material a recubrir se coloca dentro de una cámara de vacío, que dicta el tamaño máximo de los objetos que se pueden recubrir. Luego, el material de revestimiento se calienta, o la presión a su alrededor se reduce hasta que el material se vaporiza, ya sea dentro de la cámara de vacío o en un área adyacente desde la cual se pueda introducir el vapor. Allí, el material suspendido comienza a asentarse sobre el material del sustrato y forma una capa uniforme. El ajuste de la temperatura y la duración del proceso permite controlar el espesor del recubrimiento.
Con metales o compuestos metálicos, como los que se utilizan en la industria de los semiconductores, o los recubrimientos plateados dentro de las bolsas de bocadillos, el vapor de metal calentado se deposita sobre un sustrato más frío. En el proceso de polímero, es un poco más complejo:dos o más compuestos precursores diferentes, llamados monómeros, se introducen en la cámara, donde reaccionan para formar polímeros a medida que se depositan en la superficie.
Incluso el procesamiento de CVD a alta temperatura ha evolucionado, con gran potencial para aplicaciones comerciales. Por ejemplo, el grupo de investigación de John Hart, un profesor asociado de ingeniería mecánica, ha construido un sistema de procesamiento de rollo a rollo utilizando CVD para fabricar láminas de grafeno, un material con aplicaciones potenciales que van desde pantallas de gran tamaño hasta sistemas de filtración de agua. El grupo de Hart y otros han utilizado CVD para producir grandes matrices de nanotubos de carbono, materiales con potencial como nuevos electrodos para baterías o pilas de combustible.
"Es un proceso de fabricación muy versátil y muy utilizado, "Hart dice, "y un proceso muy general que se puede adaptar a muchas aplicaciones diferentes".
Una gran ventaja del procesamiento CVD es que puede crear recubrimientos de espesor uniforme incluso sobre formas complejas. Por ejemplo, La CVD se puede utilizar para recubrir de manera uniforme nanotubos de carbono —pequeños cilindros de carbono puro que son mucho más delgados que un cabello— para modificar sus propiedades mecánicas y hacerlos reaccionar químicamente a ciertas sustancias.
"Al combinar dos procesos de CVD, uno para hacer crecer los nanotubos de carbono, y otro para recubrir los nanotubos:tenemos una forma escalable de fabricar nanomateriales con nuevas propiedades, "Dice Hart.
Gran parte del progreso en la investigación de las enfermedades cardiovasculares en los últimos años se remonta al descubrimiento inesperado de Gleason, en la década de 1990, que el proceso podría funcionar sin plasma, y su seguimiento de ese hallazgo. "Debes prestar atención cuando suceda algo nuevo, "Ella dice." Esa es una especie de clave ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
