Los científicos de materiales de la TU Darmstadt están imprimiendo nanopatrones en metales, una tecnología que podría dar a las superficies metálicas una funcionalidad permanente, como un efecto de loto o propiedades de fricción reducidas.

Un panadero especializado en las galletas Spekulatius condimentadas que se comen en Alemania durante la época navideña y Paul Braun, un estudiante de doctorado en el grupo de Metalurgia Física en el Departamento de Materiales y Ciencias de la Tierra en la TU Darmstadt tiene una cosa en común:ambos pasan parte de su tiempo imprimiendo diseños en materiales - el uno en masa para galletas; el otro en metal. Sin embargo, mientras los animales, cifras, y los molinos de viento típicamente estampados en las galletas navideñas son fácilmente identificables, Las huellas de Braun son demasiado pequeñas para ser invisibles a simple vista. Se forman en el metal usando un pequeño sello hecho de diamante no más grande que la punta de una aguja. "Diamond es perfecto para la tarea", Braun explica, "ya que es un material extremadamente duro que es casi impermeable al desgaste".

Para poder ser utilizado para gofrado, el diamante está sujeto en un dispositivo especial, un llamado nanoindentador. Realmente, los científicos de materiales de la TU Darmstadt suelen utilizar el nanoindentador para diferentes propósitos, como probar la dureza, comportamiento de fractura, y otras propiedades de diversos materiales. Todas estas pruebas implican el uso de una aguja de diamante que se presiona en el material que se está probando, mediante el cual se aplica una fuerza y ​​la profundidad de la hendidura se mide en la nanoescala. Además, el dispositivo se puede utilizar en combinación con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar el agrietamiento de recubrimientos delgados durante el proceso de indentación. El supervisor de doctorado de Braun, el Dr. Karsten Durst, Catedrático de Metalurgia Física en la TU Darmstadt, explica:"La punta de diamante se presiona menos de 100 nanómetros en la muestra durante tales pruebas, de modo que el nanoindentador se puede utilizar para explorar capas delgadas como una telaraña ".

Durante muchos años ha estado impulsando el desarrollo de este método con fines de prueba de materiales y ahora lo está utilizando para abordar problemas novedosos. Ahora planea usarlo para la impresión a nanoescala de superficies metálicas. Esta tecnología, que los expertos denominan nanoimpresión, ya se está utilizando junto con polímeros, por ejemplo, en la fabricación de chips de plástico que incluyen canales microscópicos y otras estructuras. Tampoco el estampado o estampado de metal es algo nuevo en principio, pero hasta la fecha solo se ha utilizado a escalas mucho mayores para cosas como la acuñación de monedas. Según Durst:"Estamos justo en el comienzo de la nanoimpresión de superficies metálicas, y todavía estamos analizando los principios básicos de esta tecnología ".

Sellos duros y finamente estructurados

El primer paso es el desarrollo de sellos adecuadamente duros y finamente estructurados. El estudiante de doctorado Braun ya ha logrado crear varios de estos al reutilizar las puntas de diamante de un nano-indentador, para lo cual viajó a Brno en la República Checa para reunirse con el fabricante de microscopios Tescan, que han desarrollado una tecnología especial de haz de iones. Suele utilizarse para la preparación de muestras para su examen mediante microscopía electrónica. Braun, por otra parte, usó el haz de iones enfocado para cortar la parte superior de la sonda de diamante, para tallar un pilar con los restos del diamante, y fresar el patrón deseado en su superficie superior. Después del pulido final con haz de iones, el sello estaba listo para usarse.

La siguiente pregunta es:¿qué propiedades debe tener una pieza de metal para que forme con precisión la estructura de superficie deseada? Como todo panadero Spekulatius sabe, el éxito de la galleta depende de la consistencia de la masa. Lo mismo aplica, en principio, al proceso de nanoimpresión:la microestructura del metal tiene que ser la correcta para garantizar que "fluya" bien en el molde. Los científicos de Darmstadt quieren poder imprimir estructuras de solo 50 nanómetros, ¡eso es aproximadamente 1500 veces más delgado que un cabello humano! El problema:cualquier metal o aleación consistirá en una multitud de pequeños, granos muy compactos. Para la mayoría de los metales y aleaciones convencionales, el diámetro de estos granos mide muy por encima de los 1000 nanómetros. Esto significa, sin embargo, que los metales de tamaño de grano convencionales resistirán ser presionados en la forma del sello debido a su gran tamaño de grano. Es por eso que Durst y sus colegas están investigando la producción de metales de grano más fino, que encajará perfectamente dentro de los espacios huecos de los sellos.