Le tecniche di “silicate bonding” consentono di unire tra di loro parti in silice fusa (vetro) senza l’uso di adesivi, in modo tale da avere alla fine un elemento composto con un comportamento tipico di un pezzo unico, senza soluzioni di continuità. Per creare una saldatura di questo tipo, le superfici da unire devono essere pulite da ogni sostanza contaminante e libere da polvere. Inoltre, devono essere lavorate con estrema precisione, in modo da ottenere planarità dell’ordine dei 100 nm (un miliardesimo di metro) sull’intera area da unire. Le superfici vengono poi messe a contatto con interposto una piccola quantità di liquido catalizzante, come ad esempio acqua ultrapulita con una soluzione di silicato di sodio. In questo modo, nel giro di alcuni giorni si formano catene di molecole che uniscono le due superfici con continuità, producendo una saldatura che ha le stesse caratteristiche di resistenza analoghe a quelle del materiale solido (Fig.1).
Figura 1 Uno specchio dell’interferometro gravitazionale Virgo sospeso con fili di vetro di 0,4 mm di diametro mediante silicate bonding. Il supporto dei fili è incollato alla superficie laterale dello specchio con questa procedura che unisce le due parti con continuità (da cui la denominazione di “incollaggio monolitico”)
Si tratta di una tecnologia estremamente raffinata e complessa, che è nata negli Stati Uniti (Stanford) ed è stata poi sviluppata in Inghilterra (Glasgow) ed anche in Italia (Perugia, Roma), principalmente per lo sviluppo dei rivelatori di onde gravitazionali, recentemente rivelate con successo dagli interferometri LIGO negli USA e dall’interferometro Virgo in Italia. In particolare, nel 2011 l’esperimento Virgo ha implementato masse di test di 20 kg, sospese con fili di silice fusa di 0.2 mm di diametro saldati al resto dell’apparato con la tecnica del silica bonding. Questa tecnica innovativa ha permesso di diminuire il rumore dovuto all’agitazione termica delle sospensioni delle masse di prova, permettendo di raggiungere una risoluzione in spostamento a 20 Hz migliore di 10-18 m (un miliardesimo di miliardesimo di metro), mai raggiunta fino ad allora.
Figura 2 La prima sospensione monolitica montata nell’interferometro gravitazionale Virgo nel 2010. Una massa di vetro di 21 kg è sospesa con 4 fili di vetro di 0.2 mm di diametro, per limitare il rumore termico.
Nata quindi dalla spinta al miglioramento tecnologico posto dalla ricerca delle onde gravitazionali, la tecnica del silicate bonding si sta estendendo nelle sue applicazioni e nelle sue modalità, specialmente in ambito spaziale. In effetti, tecniche simili vengono oggi utilizzate per unire tra loro vari materiali quali il silicio e lo zaffiro, anche in forma monocristallina, permettendo di costruire apparati di rivelazione particolarmente stabili dal punto di vista termico e meccanico, oltrechè estremamente puliti ed adatti ad ambienti in cui il degassamento degli apparati deve essere limitato, quali ad esempio le applicazioni in UHV e, appunto, lo spazio. Ad esempio, tecniche di silicate bonding sono state utilizzate per realizzare i banchi ottici di LISA Pathfinder (Fig.4), la missione che costituisce il test tecnologico di LISA, e che ha volato con successo nel 2016.
Figura 3 LISA Pathfinder (http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/)
Figura 4 LISA Pathfinder Optical Bench (http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/51919-constructing-the-lisa-pathfinder-flight-optical-bench/)
In LISA, l’interferometro viene utilizzato per rivelare il segnale principale, lo spostamente della massa di prova mantenuta in caduta libera con elevatissima precisione (l’accelerazione massima a cui è sottosposta è 10-9 g (un miliardesimo dell’accelerazione di gravità sulla Terra)), eventualmente dovuto al passaggio di un’onda gravitazionale. La stessa tecnologia, con prestazioni meno spinte è stata utilizzata dal satellite GOCE dell’ESA per la misura del geoide terrestre con la precisione, mai raggiunta prima, di circa 1 cm.
Figura 5 Il satellite GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) dell’ESA.
Misure del gradiente di gravità di questo tipo sono essenziali ad esempio per una migliore comprensione della fisica dell’interno della Terra, delle correnti e del trasporto di calore negli oceani, del moto e delle variazioni delle calotte ghiacciate, e quindi dei cambiamenti climatici in corso. E’ questo il motivo per cui si stanno già progettando missioni successive a GOCE con prestazioni ancora più spinte.
Naturalmente, risultati altrettanto importanti, anche se meno legati alla nostra vita di tutti i giorni, possono essere ottenuti inviando un gradiometro di questo tipo nello spazio ad esempio intorno alla luna.
Nel nostro gruppo esistono le competenze e le attrezzature necessarie per approfondire questa tecnologia e trasferirla eventualmente alle PMI nostre collaboratrici, che ne ricaverebbero quindi un vantaggio competitivo in ambito nazionale e internazionale.
Il primo passo in questa direzione è stato lo sviluppo del deposito di fused silica su acciaio. Infatti, uno dei limiti iniziali della tecnologia del silicate bonding era che essa era applicabile soltanto a parti dello stesso materiale vetroso. Una serie di prove effettuate in collaborazione con il gruppo Virgo presso il Dipartimento di Fisica di Perugia ha permesso di sviluppare una procedura per unire mediante silicate bonding anche vetro e acciaio. Una superficie di acciaio di circa 30 cm2 è stata lavorata in modo da avere una planarità entro 0.1 micron (dalla ditta SILO – Firenze) ed è stata unita mediante una opportuna soluzione per silicate bonding con un blocco in vetro, come riportato in Fig.6.
manca figura 6
Al blocco di vetro è saldato un filo di vetro di 0.4 mm di diametro, che sostiene una massa di 5 kg.
In Fig.7 è mostrata un’immagine a luce polarizzata del blocco di vetro saldato a quello di acciaio. Le parti più luminose indicano le zone del blocco di vetro sottoposte a uno stress più elevato. La simmetria dell’immagine mostra che l’incollaggio è ben fatto e gli sforzi sono distribuiti uniformemente.
Figura 7: Distribuzione dello stress nel blocco di vetro sotto carico, evidenziato mediante illuminazione con luce polarizzata.
In un test ulteriore, abbiamo voluto controllare la tenuta dell’incollaggio in funzione della temperatura. Quindi, abbiamo scaldato il blocco di acciaio fino a 75 oC, continuando ad osservare l’immagine del blocco di vetro in luce polarizzata. In questo modo abbiamo verificato che la ditribuzione dello stress anche in queste condizioni non presenta problemi.
Una delle caratteristiche che rendono il silicate bonding importante per lo sviluppo di sensori, è la possibilità di sospendere masse minimizzando le dissipazioni meccaniche e quindi il rumore termico. Ad esempio, per lo sviluppo di accelerometri e gravimetri, utilizzabili in missioni successive a GOCE, è necessario sospendere in modo non dissipativo masse di non grandi dimensioni (da 10 a 1000 g). Tuttavia, per avere una elevata sensibilità anche a basse frequenze, i fili di vetro di sospensione devono essere molto sottili. Attualmente, grazie a processi di tiraggio dei fili in vetro sia a fiamma che ad arco, siamo arrivati a produrre fili di diametro minimo di 0,04 mm (40 m) per una lunghezza di circa 10 cm.
Figura 8 Esempio di fibra in vetro per sospensione di masse con basse dissipazioni meccaniche. La fibra nella foto ha un diametro di 0,04 mm, ed è la più sottile prodotta finora nei nostri test.
Nello stesso tempo, si è progettato e realizzato un accelerometro in grado di poter utilizzare masse di test sospese con questa nuova tecnologia (Fig.9). Per provare la parte di lettura dello spostamento della massa di test, si è utilizzata una massa sospesa provvisoriamente con fili di acciaio e si è raffreddato l’accelerometro a temperature fino a 10 K. In questo modo si può garantire sia il funzionamento dell’accelerometro nello spazio, sia il suo funzionamento eventuale a basse temperature per ridurre ulteriormente il rumore termico.
In particolare, per sfruttare al meglio l’applicazione dell’accelerometro in ambiente criogenico, è necessario assicurare una buona conducibilità termica tra la massa di test e il criogeneratore. A questo scopo non sono particolarmente adatti i fili di vetro, che hanno una conducibilità termica molto bassa. Perciò sono stati eseguiti vari test per unire tramite silicate bonding vetro con fili di zaffiro, che hanno una buona conducibilità termica a basse temperature, controllando allo stesso tempo il mantenimento delle caratteristiche di basse dissipazioni meccaniche tipiche del silicate bonding. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con il gruppo giapponese che sta costruendo l’interferometro gravitazionale criogenico KAGRA.
Stiamo completando il disegno dell’accelerometro con una massa di test sospesa mediante fused silica e silicate bonding, che sarà il banco di prova delle caratteristiche sia delle fibre che del silicate bonding che siamo riusciti a produrre.
Il metodo sviluppato, sia per il silicate bonding che per la produzione dei fili in vetro, è a disposizione per il trasferimento alle PMI che possano essere interessate.
A d esempio, in Umbria, la startup Wisepower, nata dal laboratorio NIPS (Noise in Physical Systems) del Dipartimento di Fisica dell’Università di Perugia ha già iniziato la realizzazione di parti costruite con queste tecniche per sensori da utilizzare nell’industria automobilistica.