Il trattamento in vuoto si basa sulla presenza di un ambiente particolare, che consiste essenzialmente nell’assenza di qualcosa: il vuoto, appunto. Ottenere un ambiente a pressione ridotta ed effettuare operazioni industriali in queste condizioni richiede l’uso di apparecchiature complesse e costose. Quindi perché c’è questa necessità? I motivi sono essenzialmente due.
In primo luogo, bisogna considerare il fatto che l’aria è una miscela di gas, composta principalmente da azoto (circa il 78%), ossigeno (circa il 21%) e argon (il restante 1%). Di questi gas, uno è un gas nobile: l’argon. In quanto tale, è un gas inerte, cioè non dà luogo spontaneamente a reazioni chimiche, indipendentemente dalle condizioni e dall’ambiente in cui è presente. Per questo motivo, l’argon viene utilizzato per generare le atmosfere protettive necessarie in diversi processi di saldatura. L’azoto e l’ossigeno, invece, sono gas reattivi. Il primo, in certe condizioni di temperatura, può combinarsi, ad esempio, con diversi elementi metallici formando i rispettivi nitruri. Come è noto, anche l’ossigeno è un gas molto reattivo: può combinarsi con i metalli, formando i rispettivi ossidi, che sono solitamente più stabili termodinamicamente del metallo da cui si sono formati. A dimostrazione di ciò, si può considerare il fatto che, in natura, è molto raro trovare materiali metallici allo stato nativo, ad eccezione dell’oro: solitamente sono disponibili sotto forma di ossidi o altri composti chimici.
Pertanto, nel caso di processi che richiedono, ad esempio, alte temperature, operare in aria significa incorrere potenzialmente in reazioni chimiche indesiderate con l’ossigeno e l’azoto presenti. A titolo di esempio, se volessimo far evaporare un materiale metallico portandolo ad alta temperatura all’interno di un crogiolo, con l’obiettivo di depositare i vapori prodotti su un dato substrato, i vapori metallici ad alta temperatura subirebbero molto probabilmente fenomeni di ossidazione. Un caso industriale tipico riguarda il processo di alluminizzazione del polipropilene biorientato (BOPP), utilizzato nel settore del packaging alimentare. Come è noto, l’alluminio ha una forte tendenza all’ossidazione: se cercassimo di generare vapori di alluminio, con cui depositare un film metallico sul BOPP mediante un processo di condensazione, in presenza di ossigeno, otterremmo un deposito di un altro materiale: l’allumina (Al2O3).
Questo problema, tuttavia, non obbliga necessariamente a utilizzare un ambiente in cui sia stato creato il vuoto: sarebbe sufficiente lavorare, come già detto, in un’atmosfera inerte, ottenuta attraverso l’uso di un qualsiasi gas nobile (argon, elio, kripton, ecc.).
Occorre quindi considerare un altro aspetto: il trasporto di materia. In molti processi che vengono eseguiti in vuoto, il processo comporta un flusso di materia da una sorgente a un substrato, effettuato in fase vapore. In sostanza, gli atomi o le molecole di una specie che si intende depositare su un substrato, una volta generati mediante un sistema idoneo, devono poter compiere un certo percorso prima di depositarsi sul substrato da rivestire, dove condensano formando un film con le caratteristiche richieste. Se questo percorso avvenisse a pressione atmosferica – indipendentemente dalla composizione dell’atmosfera stessa – il flusso di materiale sarebbe ostacolato dagli atomi o dalle molecole già presenti, secondo un processo noto come diffusione.
In pratica, la specie da depositare colliderebbe con le particelle di gas presenti, il che ridurrebbe notevolmente quello che viene generalmente definito come il cammino libero medio. Su un’altra scala, sarebbe come voler raggiungere a piedi una certa destinazione passando attraverso una folla di persone: il tempo necessario per percorrere una certa distanza potrebbe essere molto più lungo di quello necessario in condizioni di strada libera.
Bisogna considerare anche un ulteriore fatto: l’energia con cui la specie da depositare riuscirebbe a raggiungere il substrato, ad esempio per aumentare l’adesione con il substrato stesso, può essere significativamente modificata dalla presenza di un’atmosfera con pressione relativamente alta. In pratica, sarebbe come cercare di scoccare una freccia contro un bersaglio, sperando che vi si conficchi, interponendo un bosco tra l’arciere e il bersaglio stesso. Le probabilità che le cose vadano per il verso giusto potrebbero essere molto basse… Ridurre la pressione di lavoro significa diradare il bosco, in modo che l’arciere – e la freccia – possano vedere e raggiungere facilmente il bersaglio (il substrato).
Ma quali sono le pressioni utilizzate nella tecnica del vuoto?
Partiamo da un dato di fatto: lo stato di “vuoto perfetto” non è raggiungibile, per ragioni fisiche (per i più curiosi, una semplice spiegazione del perché è disponibile a questo link: vuoto_perfetto).
In alcune applicazioni, il sistema utilizzato deve essere in grado di raggiungere valori di vuoto vicini a quelli presenti nello spazio interstellare: da 10-10 a 10-11 mbar. Un esempio di questo livello di vuoto si trova in alcune apparecchiature utilizzate nel mondo della ricerca, come l’LHC (vuoto_lhc).
Nelle normali applicazioni industriali (evaporazione termica, sputtering, ecc.), la pressione di lavoro può essere superiore di 4-9 ordini di grandezza, tipicamente nell’intervallo tra 10-2 e 10-6 mbar.
Il modo in cui queste pressioni possono essere raggiunte e mantenute sarà oggetto di un prossimo articolo!