试想一下如果可以把物与物之间的摩擦损耗降到最低，在拔插手机充电器时就不用再小心翼翼，类似U盘等移动设备使用寿命将得到延长，汽车保养可以不再那么频繁。反之过度的磨损就会对设备造成损害，当然从工业系统到汽车再到纳米电子产品，这些不可避免的故障都会发生。零件互相摩擦，浪费能量，磨损材料。事实上，据统计由于摩擦造成的损失使发达国家每年GDP损失0.5%-7%。能源部高级研究项目局（ARPA-E）的一份报告指出，更先进的摩擦学理论可以每年节省1万亿BTU，相当于美国年能源消耗的1%。（摩擦学是对摩擦、润滑和磨损原理的研究和应用。）那么怎样降低损耗呢？一个方法就是创造更耐磨的保护膜。在一个跨学科的合作中，利海大学的研究人员尼古拉斯·斯特拉德维茨博士和布兰登·克里克博士，他们是利海大学的P.C.罗森工程与应用科学学院的教授，隶属于该大学的功能材料与设备研究所（I-FMD），他们认为他们发现了最薄的耐磨涂层，等离子增强原子层沉积钛和氮化钒。克里克博士说：“这种新材料在磨损性能上比商用涂料强出一个数量级。”年8月，美国国家科学基金会授予材料科学与工程助理教授Strandwitz和机械工程与力学助理教授可立克，授予工业学术联络奖（GOALI）奖，与工业合作伙伴合作研究到底是什么造就了这些。Goali奖支持学术和工业合作伙伴之间的共同研究兴趣。这是为了进一步了解可能导致关键工业需求突破的知识。该奖项为期三年，总额超过50万美元。氮化钛和氮化钒薄膜已经知道是极其坚硬和耐磨，低温、一致性和精密度产生了类金刚石的韧性。传统上，它们是通过溅射、脉冲激光沉积或化学气相沉积方法生长的。首先，该小组在Veeco/CNT的合作者使用等离子体增强原子层沉积（PE-ALD）来生长氮化物薄膜。Strandwitz说：“在原子层沉积中，你一次只能建造一层原子。”这是一种已经在微电子技术中使用的技术，就像在手机上使用的技术，在那里你可能需要一种厚度为3纳米的薄膜。如果薄膜有四、二纳米厚，晶体管开关就不会工作。然而你的手机里有几十亿个晶体管。”这项技术涉及一个蒸汽过程，该过程使用两个或多个自限性化学反应一次生长一层薄膜。在这种情况下，钛前体以气体的形式进入系统的腔体，与基底反应，形成单层。多余的钛被吸出，然后第二种气体，氮气等离子体，被泵入。它与钛结合，形成第二个单层。重复这两步过程，直到薄膜达到所需厚度。等离子体发生器增强了这项技术，因此PE-ALD中的PE得到了增强。Strandwitz说：“生长氮化物需要大量热能，比如摄氏度。”或者，你需要一个等离子体来使氮更具反应性。产生等离子体意味着当氮分子在气体中四处飞行时，我们正在将它们的电子击落，使氮更具反应性，因此它将与表面结合并成为薄膜的一部分。如果你把氮气漂浮在那里，不会发生任何事情，因为氮气分子是超稳定的。因此，利用等离子体，我们可以在50摄氏度的温度下生长这些薄膜，略高于室温。”在这种温度下生长薄膜的能力是关键。Strandwitz说，温度过高会熔化塑料和铝等敏感材料，甚至会使相当稳定的金属变得更易碎。PE-ALD也以其一致性和精确性而闻名。与能留下小孔或阴影的视线沉积技术不同，PE-ALD中使用的气体可以确保覆盖基板的整个表面，无论其形状或功能的复杂性如何。自我限制反应确保了覆盖一个分子层的时间不多也不少。当克里克对使用PE-ALD生长的钛和氮化钒薄膜的硬度和磨损性能进行初步测试时，“这些薄膜正接近钻石的耐磨性，”克里克说。它们比商用氮化物涂层好倍。例如，如果你想穿10纳米的衣服，需要50次来回滑动才能穿进商用涂层。用这种材料要花英镑。每件事都是周期性的，持续的时间取决于它经历了多少工作周期。所以想想你手机充电器的插头。像这样的事情可能会从一年或18个月的疲劳，到一生中永远不会疲劳。”科学家们将在Strandwitz的研究小组检查其微观结构的同时，也将在Krick的研究小组测量其机械性能。他们将“转动旋钮”，正如斯特拉德威茨所说，在诸如温度、钛相对于钒的使用量以及膜中氧气的使用等变量上。Strandwitz说：“如果我们知道它们为什么这么好，我们就可以设计一种新的材料来进一步利用它。”因此，如果我们想要一种具有一定硬度或磨损性能的薄膜，如果我们了解该系统的工作原理，我们可以对此进行调整。”他们可以看到许多潜在的应用，这些薄膜也是耐腐蚀的超导体，特别是在纳米机电系统（NEMS）和微电子机械系统（MEMS）中。Strandwitz说：“这项技术对任何需要很薄涂层的小而活动部件都很有用。”这包括许多领域的事情：航空航天、医学、通信、运输、国防、工业。几乎所有移动的东西。当所有这些东西都能移动的更容易、使用时间更长时，能源消耗和材料浪费就会减少，这既有利于经济，也有利于环境。克里克说：“令人敬畏的是，我们在实验室里测量了很多材料，这是迄今为止最好的。”深入研究并理解为什么它如此优秀，以及如何使用它来实际影响这些不同的应用程序，真是令人兴奋。”毫不奇怪，如此深远的影响需要学科融合。如果斯特拉德维茨和克里克不是那么好的合作者和伙伴，他们可能永远也不会走这么远。有一天他们在一起，斯特拉德维茨提到他正在研究的一种很酷的材料，很快，克里克在他的实验室里进行了测试。克里克说：“我认为，如果我们每个人都在真空中工作，就不会有人测量这些薄膜的机械性能。”我永远不会知道这种沉积技术。材料就在那里，Veeco/CNT的人可以制造各种材料，但是如果没有跨学科的方面，你永远不会知道它们有什么用。”你觉得这项技术可以用在哪里呢
