Поместите сталь под мощный микроскоп, чтобы увидеть ее микроструктуру, и приготовьтесь удивиться. Металл, известный своей прочностью, выглядит изрытым и щербатым.
«Это присуще материалу», - говорит Кэролин Айта, заслуженный профессор Висконсинского университета в Милуоки (UWM). «Ямка может начать развиваться из-за физико-химического дефекта в самой стали».
Точечная коррозия вызывает беспокойство в промышленности, поскольку она может прогрессировать и приводить к коррозии. Но исследования Аиты могут помочь.
В своей ультрасовременной лаборатории в Колледже инженерии и прикладных наук она разработала множество покрытий, которые залечивают неглубокие ямки и трещины практически на любом материале - от металла до стекла и кремния. Покрытия также предотвращают дальнейшую деградацию.
«Мои покрытия предназначены для работы в неблагоприятных условиях, таких как соляной туман, масло и высокая влажность», - говорит Аита. «Мы разрабатываем их так, чтобы они устраняли любые повреждения основания».
Aita имеет международную репутацию в области производства тонких пленок для передовых материалов и пользуется поддержкой некоторых из самых известных компаний в Висконсине, включая Johnson Controls, Badger Meter, Rockwell Automation, CERAC и Kohler. Она также работала с такими национальными компаниями, как DuPont, Rust-Oleum и Digital Equipment.
На самом деле, исследования Аиты постоянно поддерживаются промышленностью - требование ее заслуженного профессора штата Висконсин - с тех пор, как программа была запущена UW System в 1988 году.
Популярные приложения
В своей текущей работе, которая финансируется за счет гранта Rockwell Catalyst от Исследовательского фонда UWM, Аита и четыре аспиранта создают новые покрытия, способные противостоять коррозии, возникающей в металлах в промышленных условиях.
Эта работа ценна для ее спонсора, компании Rockwell Automation, глобального поставщика промышленных систем управления практически во все отрасли промышленности.
В дополнение к природным недостаткам, такие материалы, как нержавеющая сталь, подвержены влиянию окружающей среды, в которой они используются, говорит Кристофер Генте, инженер-проектировщик материалов в группе Rockwell Chemistry & Materials Engineering, который также является одним из аспирантов Аиты.
Инженеры-материаловеды Rockwell заинтересованы в защите металлических деталей, которые производит компания, например, корпусов для электроники, от высокой влажности, температуры и промышленных загрязнений.
Уникальное наноламинатное покрытие Aita наносится на поверхность металла ультратонкими слоями, и вместе они приспосабливаются к широкому спектру неблагоприятных условий. Крошечные кристаллы в слоях превращаются в окружающие и содержат дефект.
Работы Аиты находят применение во многих отраслях, включая производство, оптические продукты и биомедицинские устройства, область, в которой она имеет два патента.
К стене в ее лаборатории прикреплено увеличенное изображение отверстия в нержавеющей стали, используемой в искусственных суставах. «Представьте, что это было при замене тазобедренного сустава», - говорит она. «Наши покрытия могут предотвратить это».
Они делают это, приспосабливаясь к условиям в организме человека, которые могут вызвать образование микротрещин в сердечных клапанах или отверстий в искусственных суставах, например, предотвращая отторжение или отказ импланта.
Опираясь на Дороти
Достижение правильных характеристик этих защитных покрытий зависит от выбора правильной комбинации элементов и точного управления ими.
Для проекта Rockwell команда экспериментальной лаборатории Aita’s Advanced Coatings Experimental Laboratory (AceLab) использует гафний, диоксид циркония и оксид алюминия в своих умных керамических покрытиях для металла.
«Мы разрабатываем их так, чтобы они вели себя иначе, чем керамика с более крупной микроструктурой», - говорит Элизабет Хоппе, менеджер AceLab и доктор философии. ученица Аиты.
«Мы выращиваем пленку слоями, так что рост крошечных кристаллов внутри слоя останавливается на определенном размере, что позволяет нам контролировать их поведение», - говорит Хоппе.
Расположение молекул в крошечных кристаллах, встроенных в слой, в конечном итоге определяет характеристики пленки, говорит Аита.
Лабораторная группа Аиты первой продемонстрировала преимущества использования архитектуры наноламината в керамических пленках, говорит Роберт Лэд, директор Лаборатории исследования и технологии поверхности Университета штата Мэн. Сегодня во всем мире ведутся интенсивные исследования и разработки в этой области.
Поскольку они работают в наномасштабе, работа по фактическому нанесению тонких пленок ложится на «Дороти», большой аппарат для «напыления» в AceLab.(Оборудование названо в честь одного из наставников Аиты, покойной Дороти Хоффман, пионера выращивания пленок методом физического осаждения из паровой фазы.)
При напылении энергичные ионы, образованные из паров, бомбардируют диск или «мишень», сделанную из определенного элемента, разбрасывая энергичные атомы с него, как бильярдные шары при игре в бильярд. Затем эти атомы покрывают подложку ультратонкими слоями.
Карьера лидера
Аита добилась многих «первых успехов» с тех пор, как поступила в UWM в 1981 году. Она была первой женщиной, нанятой в качестве штатного профессора инженерного дела в исследовательском городке Университета Висконсин. В 1988 году она стала первым заслуженным профессором Висконсина в Колледже инженерии и прикладных наук UWM (CEAS).
После получения докторской степени. Получив степень бакалавра материаловедения в Северо-Западном университете, Аита несколько лет работала в частном секторе, и именно тогда она увлеклась работой с тонкими покрытиями.
Она говорит, что поступила в академию, чтобы получить доступ к чему-то, чего не могла получить в частном секторе: студентам.
Студенты всех уровней прошли обучение в лаборатории Аиты, получив большой опыт реальных бизнес-решений, и она помогла найти опытную рабочую силу для компаний, как местных, так и национальных.
При поддержке декана CEAS Майкла Ловелла в настоящее время разрабатываются планы по приобретению машины, которая выполняет царапанье и вдавливание материалов на наноуровне. Хотя это оборудование, несомненно, будет полезно для многих отраслей, с которыми она сотрудничает, Аита больше всего воодушевлена тем, что оно будет значить для ее учеников.
«Вы можете определить, сколько силы вам нужно приложить, прежде чем разрушить материал», - говорит Аита. «Это откроет перед лабораторией совершенно новую область исследований».