Finalement, votre chargeur de téléphone va mourir.

Mois après mois, le fait d'être poussé et tiré dans et hors de son port dégradera le film protecteur qui recouvre le connecteur. Puis, généralement quand vous en avez le plus besoin, votre chargeur le botte, votre téléphone suit bientôt, et la vie telle que vous la connaissez se défait. Du moins pendant un moment.

Cette panne inévitable arrive bien sûr à tout, des systèmes industriels aux véhicules en passant par la nanoélectronique. La friction fait glisser les pièces les unes contre les autres, ce qui gaspille de l'énergie et use les matériaux.

En réalité, on estime que ces pertes dues aux frictions coûtent aux pays développés 0,5 à 7 % de leur PIB annuel. Un rapport de l'Agence des projets de recherche avancée du ministère de l'Énergie-Énergie (ARPA-E) indique que de meilleures pratiques tribologiques pourraient économiser un quadrillion de BTU par an, ou l'équivalent d'environ 1 % de la consommation énergétique annuelle des États-Unis. (La tribologie est l'étude et l'application des principes du frottement, lubrification, et usure.)

Une de ces pratiques consiste à créer plus fort, films protecteurs plus résistants à l'usure. Dans une collaboration interdisciplinaire, Les chercheurs de l'Université de Lehigh, le Dr Nicholas Strandwitz et le Dr Brandon Krick, qui font partie de la faculté du P.C. de Lehigh. Rossin College of Engineering and Applied Science et affilié à l'Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD) de l'université, croire qu'ils ont découvert le plus dur, le plus mince, les revêtements les plus résistants à l'usure à ce jour :une couche atomique renforcée par plasma a déposé des nitrures de titane et de vanadium.

"Ce nouveau matériau bat les revêtements commerciaux par des ordres de grandeur en termes de performances d'usure, " dit Krick.

En août 2018, la National Science Foundation (NSF) a accordé Strandwitz, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, et Krick, professeur assistant en génie mécanique et mécanique, un prix de Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry (GOALI) pour travailler avec un partenaire de l'industrie pour étudier ce qui rend exactement ces films de nitrure si bons.

Un prix GOALI soutient les intérêts de recherche partagés entre les partenaires académiques et industriels. Il est destiné à approfondir les connaissances qui pourraient conduire à des percées dans les besoins industriels critiques. Le prix dure trois ans, et totalise plus de 500 $, 000. Le financement du projet nitrures a débuté le 1er janvier 2019.

Températures basses, conformité, et la précision donnent une ténacité semblable à celle du diamant

Les films de titane et de nitrure de vanadium sont déjà connus pour être extrêmement durs et résistants à l'usure. Traditionnellement, ils sont cultivés par pulvérisation, dépôt laser pulsé, ou des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur. Dans un premier, les collaborateurs du groupe chez Veeco/CNT ont développé leurs films de nitrure par dépôt de couche atomique assisté par plasma, ou PE-ALD. Veeco/CNT est un fournisseur leader de systèmes ALD basé à Waltham, Massachusetts.

"Dans le dépôt de couche atomique, vous construisez une couche d'atomes à la fois, " dit Strandwitz. " C'est une technique qui est déjà utilisée en microélectronique, comme sur ceux de ton téléphone, où vous pourriez avoir besoin d'un film d'exactement trois nanomètres d'épaisseur. Si le film est quatre, ou deux, nanomètres d'épaisseur, votre interrupteur à transistor ne fonctionnera pas. Et vous avez quelques milliards de transistors dans votre téléphone."

La technique implique un processus à la vapeur qui utilise deux ou plusieurs réactions chimiques auto-limitantes pour faire croître une couche de film à la fois. Dans ce cas, un précurseur de titane pénètre dans la chambre du système sous forme de gaz, réagit avec le substrat, et forme une monocouche. L'excès de titane est aspiré, puis le deuxième gaz, plasma d'azote, est pompé. Il se lie au titane, et forme une seconde monocouche. Ce processus en deux étapes est répété jusqu'à ce que le film atteigne l'épaisseur souhaitée.

La technique est renforcée par un générateur de plasma, d'où le PE dans le PE-ALD.

"Pour la culture des nitrures, vous avez besoin de beaucoup d'énergie thermique, comme 800 degrés Celsius, " dit Strandwitz. " Ou, vous avez besoin d'un plasma pour rendre l'azote plus réactif. Générer du plasma signifie que nous enlevons des électrons des molécules d'azote lorsqu'elles volent dans le gaz, rendre l'azote plus réactif afin qu'il se lie à la surface et fasse partie du film. Si vous faites simplement flotter de l'azote gazeux par là, rien ne se passerait car la molécule N2 est super stable. Donc avec le plasma, on peut faire pousser ces films à 50 degrés Celsius, juste légèrement au-dessus de la température ambiante."

La capacité de faire pousser des films à cette température est essentielle. Des températures trop élevées peuvent faire fondre des matériaux sensibles comme le plastique et l'aluminium et rendre même les métaux assez stables plus fragiles, dit Strandwitz.

"Avoir la capacité de déposer à basse température ouvre plus de matériaux sur lesquels vous pouvez déposer, " il dit.

Le PE-ALD se distingue également par sa conformité et sa précision. Contrairement aux techniques de dépôt en visibilité directe qui peuvent laisser des trous ou des ombres, les gaz utilisés dans le PE-ALD permettent de couvrir toute la surface d'un substrat, peu importe sa forme ou la complexité de ses caractéristiques. Et les réactions auto-limitantes garantissent que la couverture s'effectue sur une seule couche de molécules à la fois - pas plus, pas moins.

Lorsque Krick a effectué des tests préliminaires sur la dureté et les propriétés d'usure des films de titane et de nitrure de valdium développés à l'aide de PE-ALD, il a été impressionné par les résultats.

"Ces films approchent de la résistance à l'usure des diamants, " dit Krick. " Ils sont 100 fois meilleurs que les revêtements de nitrure commerciaux. Par exemple, si vous essayez de porter 10 nanomètres, il faudrait 50 cycles de glissement d'avant en arrière pour s'user autant dans le revêtement commercial. Il en faudrait 5, 000 avec ce matériel. Tout est dépendant du cycle, combien de temps dure quelque chose dépend du nombre de ces cycles de service qu'il traverse. Alors pensez à cette prise dans le chargeur de votre téléphone. Quelque chose comme ça pourrait aller de l'usure en un an ou 18 mois, pour ne jamais s'user au cours de votre vie."

Faire tomber les barrières à la découverte

Avec le prix GOALI, Strandwitz et Krick travailleront avec Veeco/CNT. L'équipe multidisciplinaire comprend Strandwitz dont l'expertise comprend l'ALD et les couches minces, Krick le spécialiste en tribologie, et collaborateurs Mark Sowa chez Veeco/CNT et Alexander Kozen au United States Naval Research Laboratory, deux scientifiques de renommée mondiale dans le domaine de l'instrumentation et du traitement ALD. L'équipe comprend également un groupe de diplômés et de docteurs talentueux. étudiants de Lehigh, dont le boursier NSF Tomas Babuska et Guosong Zeng, un doctorat alun du laboratoire de Krick qui est maintenant au Lawrence Berkeley National Laboratory.

Les scientifiques développeront les films tandis que l'équipe de Strandwitz examinera leur microstructure et l'équipe de Krick mesurera leurs propriétés mécaniques. Ils vont "tourner les boutons" comme dit Strandwitz, sur des variables telles que la température, la quantité de titane qu'ils utilisent par rapport au vanadium, et l'utilisation d'oxygène dans les films.

Tout pour déterminer ce qui rend ces films si spéciaux.

"Si nous savons pourquoi ils sont si bons, nous pourrions concevoir un nouveau matériau qui l'exploite encore plus loin, " dit Strandwitz. " Donc, si nous voulions un film qui ait certaines propriétés de dureté ou d'usure, si nous comprenons comment fonctionne le système, nous pouvons l'ajuster pour cela."

Ils peuvent voir de nombreuses applications potentielles pour les films - qui sont également des supraconducteurs résistants à la corrosion - en particulier dans les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) et les systèmes microélectromécaniques (MEMS).

"Cette technique est utile pour tout ce qui a beaucoup de petits, des pièces mobiles qui nécessitent des revêtements très fins, " dit Strandwitz.

Cela inclut beaucoup de choses dans beaucoup de domaines :l'aérospatiale, Médicament, communication, transport, la défense, industrie. À peu près tout ce qui bouge. Et quand tout ça bouge plus facilement et dure plus longtemps, la consommation d'énergie et les déchets de matériaux diminuent, profitant à la fois à l'économie et à l'environnement.

"Ce qui est génial, c'est que nous avons mesuré beaucoup de matériaux dans notre laboratoire et c'est de loin le meilleur, " dit Krick. " C'est vraiment excitant de plonger plus profondément et de comprendre pourquoi c'est si bon, et comment il peut être utilisé pour avoir un impact réel sur ces diverses applications. »

Il n'est pas surprenant qu'un impact aussi profond nécessite la fusion des disciplines. Et il est possible que Strandwitz et Krick ne soient jamais allés aussi loin s'ils n'avaient pas été de si bons collaborateurs et copains. Ils traînaient un jour quand Strandwitz a mentionné un matériau sympa qu'il recherchait, et bientôt, Krick le testait dans son labo.

"Je pense que si chacun de nous travaillait dans le vide, personne n'aurait jamais mesuré les propriétés mécaniques de ces films, " dit Krick. "Je ne connaîtrais jamais cette technique de dépôt. Les matériaux sont là, les gars de Veeco/CNT peuvent faire toutes sortes de matériaux, mais sans l'aspect interdisciplinaire, vous ne sauriez jamais à quoi ils servent. Cela abaisse vraiment les barrières à la découverte. »