Eventualmente, o carregador do seu telefone vai morrer.

Mês após mês, ser empurrado e puxado para dentro e para fora de sua porta irá degradar a película protetora que reveste o conector. E então, geralmente quando você mais precisa, seu carregador chuta, seu telefone logo segue, e a vida como você a conhece se desfaz. Pelo menos por enquanto.

Esse colapso inevitável acontece, é claro, com tudo, de sistemas industriais a veículos e nanoeletrônica. O atrito faz com que as peças se arrastem umas contra as outras, que desperdiça energia e desgasta materiais.

Na verdade, estima-se que essas perdas devido ao atrito custem aos países desenvolvidos 0,5 a 7 por cento de seu PIB anual. Um relatório da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia (ARPA-E) afirma que melhores práticas tribológicas poderiam economizar um quatrilhão de BTUs anualmente, ou o equivalente a cerca de 1 por cento do consumo anual de energia dos Estados Unidos. (Tribologia é o estudo e aplicação dos princípios de fricção, lubrificação, e usar.)

Uma dessas práticas é criar mais forte, películas de proteção mais resistentes ao desgaste. Em uma colaboração interdisciplinar, Os pesquisadores da Lehigh University, Dr. Nicholas Strandwitz e o Dr. Brandon Krick, que fazem parte do corpo docente da Universidade de Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science e afiliado ao Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD) da universidade, acreditam que descobriram o mais difícil, mais fino, a maioria dos revestimentos resistentes ao desgaste até o momento - camada atômica aprimorada por plasma com nitretos de titânio e vanádio depositados.

"Este novo material supera os revestimentos comerciais por ordens de magnitude em desempenho de desgaste, "diz Krick.

Em agosto de 2018, a National Science Foundation (NSF) concedeu a Strandwitz, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, e Krick, professor assistente de engenharia mecânica e mecânica, um prêmio Oportunidades de Subsídio para Ligação Acadêmica com a Indústria (GOALI) para trabalhar com um parceiro da indústria para estudar o que exatamente torna esses filmes de nitreto tão bons.

Um prêmio GOALI apoia interesses de pesquisa compartilhados entre parceiros acadêmicos e industriais. Destina-se a aprofundar o conhecimento que pode levar a descobertas em necessidades industriais críticas. O prêmio dura três anos, e totaliza mais de $ 500, 000. O financiamento para o projeto de nitretos começou em 1º de janeiro de 2019.

Temps baixas, conformalidade, e a precisão geram uma dureza semelhante à de um diamante

Os filmes de nitreto de titânio e vanádio já são conhecidos por serem extremamente duros e resistentes ao desgaste. Tradicionalmente, eles crescem por pulverização catódica, deposição de laser pulsado, ou métodos de deposição de vapor químico. Em um primeiro, os colaboradores do grupo na Veeco / CNT desenvolveram seus filmes de nitreto usando deposição de camada atômica aprimorada por plasma, ou PE-ALD. Veeco / CNT é um fornecedor líder de sistemas ALD com base em Waltham, Massachusetts.

"Na deposição da camada atômica, você está construindo uma camada de átomos por vez, "diz Strandwitz." É uma técnica que já é usada em microeletrônica, como aqueles em seu telefone, onde você pode precisar de um filme com exatamente três nanômetros de espessura. Se o filme tem quatro, ou dois, nanômetros de espessura, o interruptor do seu transistor não funcionará. E você tem alguns bilhões de transistores em seu telefone. "

A técnica envolve um processo de vapor que usa duas ou mais reações químicas autolimitadas para fazer crescer uma camada de filme por vez. Nesse caso, um precursor de titânio entra na câmara do sistema como um gás, reage com o substrato, e forma uma monocamada. O excesso de titânio é sugado, então o segundo gás, plasma de nitrogênio, é bombeado. Liga-se ao titânio, e forma uma segunda monocamada. Este processo de duas etapas é repetido até que o filme alcance a espessura desejada.

A técnica é aprimorada por um gerador de plasma, daí o PE no PE-ALD.

"Para o cultivo de nitretos, você precisa de muita energia térmica, como 800 graus Celsius, "diz Strandwitz." Ou, você precisa de um plasma para tornar o nitrogênio mais reativo. A geração de plasma significa que estamos retirando elétrons das moléculas de nitrogênio enquanto voam no gás, tornando o nitrogênio mais reativo, de modo que ele se ligue à superfície e se torne parte do filme. Se você apenas flutuar o gás nitrogênio por lá, nada aconteceria porque a molécula de N2 é superestável. Então, com plasma, podemos aumentar esses filmes a 50 graus Celsius, um pouco acima da temperatura ambiente. "

A capacidade de fazer filmes nessa temperatura é fundamental. Temps muito altos podem derreter materiais sensíveis como plástico e alumínio e tornar até mesmo metais razoavelmente estáveis ​​mais quebradiços, diz Strandwitz.

"Ter a capacidade de depositar em baixas temperaturas abre mais materiais que você pode depositar, " ele diz.

PE-ALD também é notável por sua conformidade e precisão. Ao contrário das técnicas de deposição em linha de visão que podem deixar buracos ou sombras, os gases usados ​​no PE-ALD garantem que toda a superfície de um substrato seja coberta, não importa sua forma ou a complexidade de seus recursos. E as reações autolimitadas garantem que a cobertura ocorra em uma única camada de moléculas por vez - não mais, não menos.

Quando Krick realizou testes preliminares de dureza e propriedades de desgaste dos filmes de nitreto de titânio e valdium cultivados usando PE-ALD, ele ficou impressionado com os resultados.

"Esses filmes estão se aproximando da resistência ao desgaste dos diamantes, "diz Krick." Eles são 100 vezes melhores do que os revestimentos de nitreto comerciais. Por exemplo, se você está tentando usar 10 nanômetros, seriam necessários 50 ciclos de deslizamento para frente e para trás para desgastar tanto no revestimento comercial. Demoraria 5, 000 com este material. Tudo depende do ciclo, quanto tempo algo dura depende de quantos desses ciclos de trabalho ele passa. Portanto, pense naquele plugue do carregador do telefone. Algo assim pode acabar em um ano ou 18 meses, para nunca se desgastar em sua vida. "

Reduzindo as barreiras para a descoberta

Com o prêmio GOALI, Strandwitz e Krick trabalharão com Veeco / CNT. A equipe multidisciplinar inclui Strandwitz, cuja experiência inclui ALD e filmes finos, Krick, o especialista em tribologia, e os colaboradores Mark Sowa da Veeco / CNT e Alexander Kozen no Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos, ambos cientistas de renome mundial no campo de instrumentação e processamento ALD. A equipe também inclui um grupo de talentosos graduados e doutores. Alunos Lehigh, incluindo NSF Fellow Tomas Babuska e Guosong Zeng, um Ph.D. ex-aluno do laboratório de Krick que agora está no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

Os cientistas vão desenvolver os filmes enquanto a equipe de Strandwitz examina sua microestrutura e a equipe de Krick mede suas propriedades mecânicas. Eles vão "girar os botões", como diz Strandwitz, em variáveis ​​como temperatura, a quantidade de titânio que usam em relação ao vanádio, e o uso de oxigênio nos filmes.

Tudo para determinar o que torna esses filmes tão especiais.

"Se sabemos por que eles são tão bons, poderíamos criar um novo material que o explora ainda mais, "diz Strandwitz." Então, se quiséssemos um filme que tivesse certas propriedades de dureza ou propriedades de desgaste, se entendermos como o sistema funciona, podemos ajustá-lo para isso. "

Eles podem ver inúmeras aplicações potenciais para os filmes - que também são supercondutores resistentes à corrosão - especialmente em sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) e sistemas microeletromecânicos (MEMS).

"Esta técnica é útil para qualquer coisa que tenha muitos pequenos, peças móveis que precisam de revestimentos realmente finos, "diz Strandwitz.

Isso inclui muitas coisas em vários campos:aeroespacial, Medicina, comunicações, transporte, defesa, indústria. Quase tudo que se move. E quando todas essas coisas podem se mover mais facilmente e durar mais, o uso de energia e o desperdício de material diminuem, beneficiando a economia e o meio ambiente.

"O que é incrível é que medimos muitos materiais em nosso laboratório e este é de longe o melhor, "diz Krick." É realmente emocionante mergulhar mais fundo e entender por que é tão bom, e como ele pode ser usado para realmente impactar esses vários aplicativos. "

Não é nenhuma surpresa que um impacto tão profundo exija a fusão de disciplinas. E é possível que Strandwitz e Krick nunca tivessem chegado tão longe se não fossem tão bons colaboradores - e amigos. Eles estavam saindo um dia quando Strandwitz mencionou um material legal que ele estava pesquisando, e em breve, Krick estava testando em seu laboratório.

"Acho que se cada um de nós trabalhasse no vácuo, ninguém jamais teria medido as propriedades mecânicas desses filmes, "diz Krick." Eu nunca saberia sobre essa técnica de deposição. Os materiais estão aí, o pessoal do Veeco / CNT pode fazer todo tipo de material, mas sem o aspecto interdisciplinar, você nunca saberia para que eles servem. Isso realmente reduz as barreiras à descoberta. "