Gli strati intermedi sottili rafforzano i materiali multistrato: satelliti freddi ed elettronica flessibile
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Superleggero, superflessibile, superisolante: un film polimerico rivestito di alluminio viene utilizzato per proteggere i satelliti dalle temperature estreme. I ricercatori dell'Empa Thun stanno rendendo il materiale ancora più resistente utilizzando uno strato intermedio sottilissimo. Anche l'elettronica flessibile e i sensori medici potrebbero essere migliorati in questo modo.
Chi non riconosce l'immagine archetipica di un satellite? Due "ali" solari tese e un corpo compatto avvolto in una scintillante pellicola dorata o argentata. I ricercatori del laboratorio "Meccanica dei materiali e nanostrutture" dell'Empa di Thun stanno lavorando proprio su questa pellicola.
L'uso diffuso che se ne fa è già evidente: la pellicola è estremamente importante per i satelliti e le sonde spaziali. Si tratta del cosiddetto "isolamento multistrato" o superisolamento. È costituita da diversi strati di un polimero robusto con un sottile rivestimento metallico, di solito alluminio. Sulla Terra, la pellicola rivestita si trova ad esempio sotto forma di coperte di salvataggio.
A bordo del veicolo spaziale, il superisolamento protegge l'elettronica dalle fluttuazioni di temperatura. "Per i satelliti in orbita terrestre bassa, la differenza di temperatura tra il lato lontano dal sole e quello rivolto verso il sole è di circa 150 gradi", spiega Barbara Putz, ricercatrice dell'Empa. "Tuttavia, l'elettronica funziona meglio a una temperatura ambiente di 25 gradi Celsius". Essendo direttamente esposto alle condizioni spaziali, il superisolante stesso deve essere in grado di sopportare molto.
Come base polimerica per la struttura a film sottile viene solitamente utilizzata la poliimmide, estremamente resistente. Oltre alla resistenza alla temperatura e al vuoto, questo materiale plastico è caratterizzato dal fatto che lo strato di alluminio vi aderisce particolarmente bene. "Il motivo è uno strato intermedio di pochi nanometri di spessore che si forma tra il polimero e l'alluminio durante il rivestimento", spiega Putz. Il ricercatore vuole ora studiare questo strato intermedio in modo più dettagliato e utilizzarlo in modo mirato. Lo strato non solo dovrebbe consentire un migliore superisolamento per i futuri satelliti, ma anche accelerare lo sviluppo dell'elettronica flessibile sulla Terra. Per questo progetto di ricerca ha ricevuto una borsa di studio Ambizione dal Fondo Nazionale Svizzero (FNS) nel 2020.
Cinque nanometri fanno la differenza
Per comprendere con precisione lo strato intermedio e i suoi effetti sulle proprietà del materiale, Barbara Putz e la sua dottoranda Johanna Byloff hanno optato per un semplice sistema modello: una pellicola di poliimmide di 50 micrometri di spessore rivestita da 150 nanometri di alluminio. Tra il metallo e la plastica, i ricercatori hanno applicato un rivestimento di ossido di alluminio di soli cinque nanometri. Lavorare con uno strato intermedio così sottile è impegnativo. Per garantire una lavorazione pulita, i ricercatori hanno utilizzato una macchina di rivestimento dello spin-off dell'Empa Swiss Cluster AG, fondato nel 2020 dai ricercatori del laboratorio "Meccanica dei materiali e delle nanostrutture". Il dispositivo consente di applicare diversi processi di rivestimento in successione allo stesso pezzo senza rimuoverlo dalla camera a vuoto.
"La nostra combinazione di materiali è la stessa utilizzata per le applicazioni spaziali, come la sonda europea di Mercurio BepiColombo o lo scudo solare del telescopio spaziale James Webb della NASA", spiega Byloff. "Solo che lì lo strato intermedio di ossido si forma naturalmente, mentre noi lo produciamo in modo specifico, il che ci permette di regolarne le proprietà". Lo scudo solare del telescopio spaziale, che misura 21 metri per 14, illustra anche le esigenze del materiale nello spazio. Oltre alle grandi differenze di temperatura, gli strati isolanti sono esposti anche a sollecitazioni meccaniche. "Da un lato, lo scudo solare è stato riposto al momento del lancio del telescopio e ha dovuto dispiegarsi sul luogo di installazione senza che gli strati si strappassero o si separassero l'uno dall'altro", spiega Byloff. "In secondo luogo, particelle e detriti spaziali possono danneggiare la pellicola. È importante che il danno rimanga localizzato e non si propaghi come lunghe crepe sull'intera superficie".
Dai satelliti ai sensori medici
I ricercatori hanno messo alla prova il loro modello di pellicola, sottoponendolo a test di allungamento e a shock termici e caratterizzandolo dal punto di vista chimico e fisico. Il risultato è che lo strato intermedio rende il materiale più elastico e significativamente più resistente agli strappi e alle forze di taglio. In seguito, i ricercatori intendono variare lo spessore dello strato e applicarlo ad altri substrati polimerici. "Lo strato intermedio naturale si forma solo sulla poliimmide e con uno spessore di cinque nanometri, il che ne limita l'utilità", spiega Barbara Putz. "Prevediamo che il nostro strato intermedio artificiale consentirà di realizzare sistemi multistrato su altri polimeri che prima erano fuori discussione a causa della scarsa adesione del rivestimento".
L'isolamento dei satelliti non è l'unico settore in cui i sistemi multistrato flessibili sono richiesti. Putz e Byloff vedono anche un'ampia area di applicazione per la loro ricerca nel campo dell'elettronica flessibile, anch'essa basata su substrati polimerici rivestiti di metallo. I componenti a film sottile dei dispositivi elettronici sono solitamente costituiti da più strati di materiali diversi. Anche in questo caso, però, le proprietà meccaniche potrebbero essere migliorate grazie all'uso mirato di sottili strati intermedi. Ciò potrebbe consentire di realizzare dispositivi pieghevoli o arrotolabili, tessuti intelligenti e sensori medici flessibili, ad esempio.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Johanna Byloff, Vivek Devulapalli, Daniele Casari, Thomas E. J. Edwards, Claus O. W. Trost, Megan J. Cordill, Shuhel Altaf Husain, Pierre‐Olivier Renault, Damien Faurie, Barbara Putz; "From Mechanics to Electronics: Influence of ALD Interlayers on the Multiaxial Electro‐Mechanical Behavior of Metal–Oxide Bilayers"; Advanced Functional Materials, 2025-11-27
Johanna Byloff, Claus Othmar Wolfgang Trost, Vivek Devulapalli, Shuhel Altaf Husain, Damien Faurie, Pierre-Olivier Renault, Thomas Edward James Edwards, Megan J. Cordill, Daniele Casari, Barbara Putz; "Atomic Layer-Deposited Interlayers for Robust Metal–Polymer Interfaces"; ACS Applied Materials & Interfaces, Volume 17, 2025-7-8
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