Les scientifiques des matériaux de la TU Darmstadt impriment des nano-motifs dans les métaux, une technologie qui pourrait donner aux surfaces métalliques une fonctionnalité permanente, comme un effet lotus ou des propriétés de friction réduites.

Un boulanger spécialisé dans les biscuits épicés Spekulatius consommés en Allemagne aux alentours de Noël et Paul Braun, un doctorant du groupe de métallurgie physique du département des matériaux et des sciences de la terre de la TU Darmstadt a une chose en commun :ils passent tous les deux une partie de leur temps à imprimer des dessins dans des matériaux – celui dans la pâte à biscuits; l'autre en métal. Cependant, tandis que les animaux, Les figures, et les moulins à vent généralement gravés dans les biscuits de Noël sont facilement identifiables, Les empreintes de Braun sont trop petites pour être invisibles à l'œil nu. Ils sont façonnés dans le métal à l'aide d'un petit poinçon en diamant pas plus gros que la pointe d'une aiguille. "Le diamant est parfait pour la tâche", Braun explique, "car c'est un matériau extrêmement dur qui est tout sauf imperméable à l'usure."

Pour pouvoir être utilisé pour le gaufrage, le diamant est serré dans un dispositif spécial, un soi-disant nanoindenteur. Réellement, les scientifiques des matériaux de la TU Darmstadt utilisent généralement le nanoindenteur à des fins complètement différentes, comme tester la dureté, comportement à la rupture, et d'autres propriétés de divers matériaux. Ces tests impliquent tous l'utilisation d'un stylet en diamant qui est enfoncé dans le matériau testé, moyennant quoi une force est appliquée et la profondeur d'indentation est mesurée à l'échelle nanométrique. En outre, le dispositif peut être utilisé en combinaison avec un microscope électronique à balayage (MEB) pour étudier la fissuration de revêtements minces pendant le processus d'indentation. le directeur de doctorat de Braun, le Dr Karsten Durst, Professeur de Métallurgie Physique à la TU Darmstadt, explique :« La pointe de diamant est enfoncée à moins de 100 nanomètres dans l'échantillon lors de ces tests, afin que le nanoindenteur puisse être utilisé pour explorer des couches très fines."

Pendant de nombreuses années, il a dirigé le développement de cette méthode à des fins d'essai de matériaux et l'utilise maintenant pour résoudre de nouveaux problèmes. Il envisage maintenant de l'utiliser pour l'impression à l'échelle nanométrique de surfaces métalliques. Cette technologie, que les experts appellent la nano-impression, est déjà utilisé en association avec des polymères, par exemple dans la fabrication de puces en plastique qui comprennent des canaux microscopiques et d'autres structures. Le gaufrage ou l'impression du métal n'est pas non plus quelque chose de nouveau en principe, mais il n'a jamais été utilisé à des échelles beaucoup plus grandes à ce jour pour des choses telles que la frappe de pièces de monnaie. Selon Durst :« Nous sommes au tout début de la nano-impression de surfaces métalliques, et étudient toujours les principes de base de cette technologie".

Tampons durs et finement structurés

La première étape est le développement de tampons suffisamment durs et finement structurés. Le doctorant Braun a déjà réussi à en créer plusieurs en réutilisant les pointes de diamant d'un nano-indenteur, à cette fin, il s'est rendu à Brno en République tchèque pour rencontrer le fabricant de microscopes Tescan, qui ont développé une technologie spéciale de faisceau d'ions. Ceci est généralement utilisé pour la préparation d'échantillons pour examen par microscopie électronique. Braun, d'autre part, utilisé le faisceau d'ions focalisé pour couper le haut de la sonde en diamant, pour tailler un pilier dans les restes du diamant, et pour fraiser le motif souhaité dans sa surface supérieure. Après le polissage final par faisceau d'ions, le timbre était prêt à l'emploi.

La question suivante est :quelles propriétés un morceau de métal doit-il avoir pour qu'il forme précisément la structure de surface souhaitée. Comme tout boulanger Spekulatius le sait, la réussite du biscuit dépend de la consistance de la pâte. La même chose s'applique, en principe, au processus de nano-impression :la microstructure du métal doit être juste pour garantir qu'il « coule » bien dans le moule. Les scientifiques de Darmstadt veulent pouvoir imprimer des structures de seulement 50 nanomètres – c'est environ 1500 fois plus mince qu'un cheveu humain ! Le problème :tout métal ou alliage sera constitué d'une multitude de minuscules, grains serrés. Pour la plupart des métaux et alliages conventionnels, le diamètre de ces grains mesure bien au-dessus de 1000 nanomètres. Ça signifie, cependant, que les métaux granulométriques conventionnels résisteront à être pressés dans la forme du poinçon en raison de leur grande granulométrie. C'est pourquoi Durst et ses collègues étudient la production de métaux à grain plus fin, qui s'intégrera parfaitement dans les espaces creux des timbres.