Mission

L’ingegneria delle superfici è la disciplina che affronta il problema della progettazione integrata di superficie e substrato, così da fabbricare un sistema solido con variazioni graduali delle sue funzioni e offrire un notevole miglioramento delle prestazioni, garantendo al contempo l’efficienza di costi (Bell 2000).

Al fine di conferire caratteristiche nuove o migliorate sia funzionali sia strutturali (ottiche, termofisiche, elettriche, magnetiche, adesive o antiadesive, di passivazione, di biocompatibilità, di ridotto coefficiente di attrito, di elevata tenacità o resilienza, di elevata durezza, …), esistono moltissime tecnologie già disponibili sul mercato per ottenere adeguate proprietà superficiali le quali hanno un impatto economico rilevante: stime recenti valutano in circa il 3% del PIL il valore dell’industria del trattamento delle superfici in Italia, con circa diecimila aziende coinvolte in tale settore (Manuale di trattamenti e finiture, 2003). La scala dimensionale propria dell’ingegneria delle superfici copre ben 6 ordini di grandezza: i rivestimenti si possono infatti classificare in base ai seguenti elementi: materiali depositati (metallici, ceramici, polimerici o compositi); spessori di rivestimento (film sottili, nell’ordine delle decine di micrometri, e film spessi, fino a qualche millimetro); durezza (rivestimenti morbidi, duri, super-duri); applicazione (per resistenza a usura, resistenza a corrosione, resistenza a fatica, barriera termica, decorazione ecc.); struttura (a costituente singolo, multicomponente, monostrato, multistrato, a gradiente).

I principali problemi dell’odierna ingegneria delle superfici sono legati alla limitata affidabilità industriale di diverse tecnologie, ai costi di alcuni processi, alla difficoltà di caratterizzare con tecniche semplici ed economiche una parte dei rivestimenti progettati, alla circoscritta conoscenza scientifica e tecnica. Sotto quest’ultimo punto di vista, alcuni processi con particolari complicazioni tecnologiche e le relazioni fra i parametri di processo e le proprietà derivate sono ancora poco conosciuti o sono comunque di difficile controllo a causa dell’elevato numero di parametri operativi coinvolti. Manca poi una consolidata capacità modellistica e di simulazione dei processi e dei comportamenti degli strati superficiali.

In questo contesto le attività di ricerca del gruppo di Scienza e Tecnologia dei Materiali di Roma TRE riguardano prevalentemente (ma non esclusivamente) i rivestimenti ottenuti mediante tecniche di deposizione da fase vapore e galvaniche, delle dimensioni tipiche da qualche decina di nanometri fino a qualche decina di micron.

In questo ambito, il contributo tecnico scientifico del gruppo si focalizza nella determinazione della correlazione tra la microstruttura, la composizione e le proprietà meccaniche ottenibili con i parametri di processo, potendo anche contribuire a livello di progettazione meccanica numerica ed analitica del sistema rivestimento substrato, la conseguente produzione con un impianto MS-PVD e la caratterizzazione che si avvale delle tecniche disponibili al LIME e delle altre presenti nei laboratori del gruppo, fra le quali nanoindentatori ex-situ e in-situ, un AFM e un profilometro 3D ottico interferometrico/confocale, la diffrazione a raggi X, la misura dell’energia superficiale. Un aspetto peculiare dell’approccio del gruppo è la risoluzione spaziale delle analisi meccaniche; tramite metodologie sviluppate internamente grazie a fondi provenienti sia da commesse private che da progetti nazionali ed europei, sono disponibili tecniche per la misura della tenacità, del modulo elastico, del coefficiente di Poisson, delle tensioni residue che possono essere correlate localmente alle informazioni provenienti da analisi microstrutturali e compositive.

In breve, la nostra mission è quella di aumentare la conoscenza dei materiali dalla macro alla nano scala e il supporto alle imprese sia nel controllo qualità e analisi dei guasti (failure analysis), che nel miglioramento delle performance del prodotto industriale tramite:

  • Studio delle proprietà superficiali di sistemi per applicazioni di ingegneria meccanica avanzata e micro-dispositivi;​
  • Sviluppo di metodologie multiscala avanzate relative alla caratterizzazione microstrutturale e nanomeccanica dei materiali attraverso sonde ottiche, ioniche, elettroniche e a contatto;​
  • Sviluppo di nuovi film sottili, nanomateriali e materiali multifunzionali, attraverso una combinazione di modellazione avanzata-caratterizzazione-progettazione-produzione di materiali multiscala.
  • Sviluppo di tecniche per l’applicazione delle correlazioni nano-microstruttura-processo-proprietà-prestazioni per il controllo e l’ottimizzazione della lavorazione dei materiali in particolare per lo sviluppo di rivestimenti antiusura e resistenti alla corrosione.
  • Applicazione delle nostre conoscenze e delle nostre tecniche di caratterizzazione avanzata nell’ingegneria forense

Obiettivi della ricerca

  • Studio delle proprietà superficiali di sistemi per applicazioni avanzate di ingegneria meccanica e micro-dispositivi, attraverso modellazione numerica e analitica, metodi avanzati di caratterizzazione, test tecnologici, meccanici, tribologici e chimici.
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  • Sviluppo di metodologie avanzate multiscala relative alla caratterizzazione morfologica, microstrutturale e microanalitica dei materiali attraverso sonde ottiche, ioniche, elettroniche e a contatto.
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(cit. Treccani)

L’ingegneria delle superfici: il nostro “core business”

L’ingegneria delle superfici è una disciplina relativamente giovane che si è costituita come scienza indipendente soltanto dagli anni Settanta del secolo scorso. Può essere definita come la scienza ingegneristica che progetta i metodi fisici e chimici in grado di modificare superficie e strati subsuperficiali di un corpo al fine di ottenere le caratteristiche individuate come ottimali per una determinata applicazione.

La superficie di un corpo da un punto di vista geometrico è il confine che lo limita, ma da un punto di vista chimico-fisico ne costituisce l’interfaccia con l’ambiente circostante. Essa dunque rappresenta contemporaneamente sia il modo di apparire del corpo sia il tramite attraverso cui il corpo stesso realizza le interazioni chimiche, fisiche e meccaniche con gli altri corpi solidi, liquidi e gassosi. Pertanto, la superficie ha sempre un contenuto decorativo, poiché il suo colore e il suo aspetto sono le proprietà del corpo di cui si ha immediata percezione ottica e tattile, e può anche avere contenuti funzionali, può cioè svolgere funzioni specifiche.

Rispetto alla porzione di materia collocata all’interno del corpo, la superficie ha sempre un distinto contenuto di energia interna e una differente combinazione di caratteristiche fisiche e chimiche, sia a causa dei processi di formatura e lavorazione dei materiali che compongono l’oggetto, sia a causa della continua interazione in opera con l’ambiente circostante. Per comprendere le ragioni del diverso stato energetico si pensi al fatto che gli atomi presenti all’interno del materiale sono completamente circondati da altri atomi, con i quali formano legami, di diversa natura chimica e contenuto energetico a seconda del materiale. Al contrario, gli atomi della superficie non sono completamente circondati da altri atomi e non possono pertanto completare tutti i legami che potrebbero formare se fossero localizzati all’interno del corpo.

Questa condizione dà luogo a una maggiore energia interna e, quindi, a una minore stabilità chimica degli atomi della superficie. A causa di tale stato di energia, la superficie di qualunque corpo risulta particolarmente reattiva con l’ambiente e con i corpi che lo circondano e che con esso interagiscono. Infatti, qualunque contatto della superficie di un solido con altri corpi solidi, liquidi o gassosi conduce all’adsorbimento di atomi o molecole ceduti dagli stessi e all’abbassamento della sua energia superficiale. Questo spiega la naturale propensione della superficie dei corpi solidi alla cattura dell’umidità, di gas, di particelle di lubrificante, di polvere e contaminanti in genere, che ne alterano continuamente lo stato fisico e chimico.

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