¿Que qué hago?

Hace mucho tiempo que escribí un boceto sobre quién era, a algunos les sirvió y otros no, o eso es lo que e creo, aunque quizás no se leyó. Esta vez me gustaría hablar de lo que hago, ya que cuando la gente me pregunta como que no se entera ni papa y por mucho que haga una exposición en términos sencillos tampoco puedo hacerme comprender, por lo que casi siempre desisto de explicar, no por no querer hablar, sino porque frustra ver que no se entienden conceptos tan sencillos.

Vamos a ver, hago tratamientos superficiales en materiales mediante plasma, algo así como un maestro enano herrero con dotes alquímicas. Con esta breve descripción mis amigos roleros tendrán suficiente, pero no los que no sepan nada de rol ambientado en un mundo fantástico-medieval. ¿Qué es el plasma? Digamos que es un estado especial de la materia, un gas con multitud de cargas eléctricas (positivas y negativas) en su interior que responde a la acción de campos electromagnéticos externos. Según los procesos que se den puede estar en uno de tres regímenes posibles. En el que siempre trabajo es el intermedio, el glow o luminiscente, en donde entre los electrodos de descarga aparecen zonas brillantes y visibles entre zonas oscuras. En este proceso los electrones sueltos viajan al ánodo (terminal positivo) con tanta energía que cuando chocan con un átomo neutro lo ionizan, arrancándole un electrón y dejando a otros en niveles energéticos excitados (por lo que al desexcitarse emiten luz). Los iones positivos se dirigen hacia el cátodo (terminal negativo) a menor velocidad y con mucha menos energía pero con la suficiente para colisionar e incrustrarse en el electrodo. Y éste es el proceso en el que me baso, ya que si coloco como cátodo algo que quiera tratar y uso un gas que origine iones de elementos que me convienen puedo tratar la superficie de estos materiales, modificándoles sus propiedades. Todo esto no se lleva a cabo a presión atmosférica, ya que existen átomos (como el oxígeno o el cloro) que no son beneficiosos para el tratamiento, por lo que usando unas bombas de vacío puedo quitar el aire de las cámaras a niveles bajísimos (una presión 100 millones de veces más baja que la de la atmósfera) e introducir los gases que me convienen a una presión definida (100 veces por debajo de la presión atmosférica).

El tratamiento de aceros mediante carburización iónica se basa en lo anterior que dije. Al llegar los iones de carbono en la superficie se introducirán en el interior del metal debido a la diferencia de concentraciones (mucho carbono afuera y poco dentro, por lo que van hacia dentro). Este proceso, llamado difusión iónica, está fomentado al trabajar en un rango de temperatura y tensión eléctrica definidos, ayudando a la movilidad y a la velocidad con la que entran en el acero. El acero que tratamos es inoxidable austenítico, es decir, no se oxida y los átomos están ordenados de una forma precisa, si imaginamos un cubo los átomos estarían en los 8 vértices y en el centro de cada una de las 6 caras. Tienen aplicación en la industria automotriz y láctea, como envases y mecanismos inmersos en sistemas corrosivos, aunque no poseen mucha dureza que digamos. Los átomos de carbono que entran en el acero no difunden de cualquier manera, sino que se colocan en ciertas posiciones predefinidas. Y estas posiciones evidentemente son los huecos que quedan sin cubrir en nuestro cubo con átomos en vértices y caras. Como aproximación diré que se colocan en el centro de las aristas y en la línea que une a vértices opuestos por dentro del cubo, las diagonales, vamos. Como el tamaño de los átomos de carbono es superior al hueco libre que tiene la celda (el cubo) al colocarse expandirá la red (el conjunto ordenado de celdas) y provocará tensiones internas. Esto conlleva la creación de la denominada austenita expandida, que posee una altísima dureza, una resistencia al desgaste formidable y no pierde sus propiedades anticorrosivas, por lo que se mejora fácilmente un acero barato y ampliamente usado, sin tener que recurrir a otro material mejor y macizo (que por consiguiente será más caro).

Otros ausuntos en los que estoy trabajando es la deposición de nitruro de aluminio (abreviado AlN) sobre silicio muy ordenado (llamado Si monocristalino) mediante la técnica de sputtering por magnetrón. El principio básico es parecido, trabajo en una cámara a presiones muy bajas (incluso inferiores a las del anterior caso) y se recurre al uso del plasma. Sputtering se traduce como espurreo o pulverización y más o menos es ese el proceso. El magnetrón posee un fuerte campo magnético que confina electrones que al circular mucho por la zona llegan a colisionar con algunos átomos neutros, provocando ionizaciones. Los electrones quedarán en la zona para seguir ionizando y los iones positivos se dirigirán hacia el propio magnetrón a una zona refrigerada por agua llamada blanco. La colisión a altas velocidades hace que penetren mucho conllevando muchos choques con los átomos que residen en el blanco. Algunas colisiones entonces pueden llevar una dirección que haga que los átomos del blanco salgan de él, dirigiéndose (y atravesando la zona de plasma) hacia el exterior del sistema del magnetrón. En su camino pueden sentir o no un potencial eléctrico que los atraiga y también pueden colisionar con gases que provoquen reacciones químicas y se formen nuevos compuestos. Por tanto, el material eyectado llegará a una zona en la que colisionará y se quedará ahí, usando su energía restante para calentar la zona y reacomodarse, creando con la llegada de más partículas una estructura cristalina ordenada. Han llegado al sustrato y empezará a crecer una finísima capa (del orden de una cienmilésima de milímetro, donde en el caso anterior podía alcanzarse las centésimas de milímetro), con unas propiedades desconocidas para materiales más gruesos, debido a tensiones, efectos cuánticos y ruptura de periodicidad. La estructura básica del AlN es würtzítica, es decir, un prisma alargado de base hexagonal. El material conseguido posee alta dureza y unas propiedades que le permiten usarse en microelectrónica y resonadores. En el caso que tengamos dos magnetrones y podamos enfocar el sustrato hacia sus blancos de manera alternativa pueden crearse capas de distintos compuestos de un espesor pequeñísimo que pueden aplicarse como espejos para rayos X y mecanismos con memoria de forma. En ciertas condiciones puede conseguirse que la estructura del AlN no sea hexagonal, sino cúbica, por lo que la dureza que alcanza puede hacerse semejante a la del diamante.

En nuestro grupo podemos caracterizar las muestras con rayos X (y conocemos así su estructura cristalina), con indentadores de dureza, desgaste por rozamiento, bombardeo de electrones (conociendo los elementos presentes en la superficie), ataque corrosivo (para ver si podemos usar los recubrimientos para abaratar prótesis humanas), perfiles topográficos a escala atómica (porque la rugosidad importa), fuerza de adhesión (para que no se despegue la capa del sustrato y tenga alta eficiencia en su aplicación), etc.

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Publicado originalmente el  02-06-2010