Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il vuoto

Il vuoto può essere definito come un volume privo di materia; in maniera generica, una regione di spazio in cui la pressione gassosa è inferiore alla pressione atmosferica, viene chiamato sistema sotto vuoto.

L'etimologia della parola deriva dal latino vacuum, in pratica il vuoto perfetto non è realizzabile. Vuoto perfetto, indica una pressione gassosa esattamente nulla, è una astrazione in quanto né esiste in natura né è realizzabile in pratica. Anche se fosse possibile avere una regione di spazio senza atomi, la meccanica quantistica pone degli ulteriori vincoli al concetto di vuoto; infatti anche nel vuoto perfetto esistono fotoni in equilibrio termodinamico, particelle virtuali e particelle con bassa interazione.

La pressione del gas è la misura quantitativa della qualità del vuoto. Nel Sistema Internazionale la pressione si misura Pascal, abbreviato con Pa. Per avere un'idea la pressione atmosferica è pari a 101325 Pa. Viene spesso usato anche il mbar che vale 100 Pa. Il Torr (mm di mercurio) che vale 133 Pa, seppure considerato una unità di misura obsoleta, è ancora molto usato.

Molti processi tecnologici necessariamente si svolgono sotto vuoto quindi a pressioni molto basse. Il vuoto è indispensabile per molte applicazioni ed è quindi necessario produrlo sulla Terra in ambienti o recipienti adatti attraverso opportuni dispositivi. Negli ultimi decenni grandissimi progressi sono stati compiuti nella realizzazione e nella misura di vuoti sempre più spinti. Attualmente, si raggiungono pressioni anche inferiori a $10^{-10}$ Pa in sistemi molto grandi quali le parti di macchine acceleratrici di particelle.

Viene fatta qui una classificazione del vuoto in base ai vari intervalli di pressione (tra parentesi alcuni usi):

• Basso vuoto (Low vacuum, LV) $10^{5}$-$10^{2}\ Pa$

(Manipolazione meccanica, vuoto primario, freni sotto vuoto, degassamento di fluidi e per impregnare componenti elettrici)

• Vuoto medio (Medium vacuum, MV) $10^{2}$-$10^{-1}\ Pa$

(Essiccazione, congelamento a secco di cibo, distillazione nell'industria chimica)

• Alto vuoto (High vacuum, HV) $10^{-1}$-$10^{-6}\ Pa$

(Crescita di film, dispositivi elettronici, tubi catodici, raggi X, scarica nei gas, microscopia elettronica)

• Ultra-alto vuoto (Ultra high vacuum, UHV) $10^{-6}$-$10^{-10}\ Pa$

(MBE, fisica delle superfici, microscopia a effetto di campo, spettroscopia con fotoelettroni)

• Vuoto estremo (Extremely high vacuum, EHV) <$10^{-10}\ Pa$

(acceleratori di antiparticelle, MBE per materiali a bassa dimensionalità)

Il vuoto è utile in molti processi e dispositivi. Probabilmente il suo primo uso su larga scala è stato nelle lampade ad incandescenza allo scopo di evitare l'ossidazione del filamento, utilizzando un gas inerte di solito l'Argon a bassa pressione. Altre applicazioni che sono apparse tecnologicamente importanti sono i processi di saldatura e conservazione degli alimenti. Il vuoto in condizioni estreme (HV o pressioni inferiori) non conduce praticamente calore per conduzione o convezione, ma può condurre solo per irraggiamento, i dewars (o anche i Thermos isolanti) sfruttano questa proprietà. Inoltre, tra le importanti applicazioni che hanno caratterizzato l'elettronica fino al 1970, non si possono ignorare le valvole termoioniche, il primo componente attivo elettronico.

Nei processi tecnologici della micro e nanotecnologia il vuoto è indispensabile per impedire che avvengano in maniera incontrollata processi chimico-fisici causati dall'azione dei gas atmosferici sui materiali utilizzati. Ad esempio, la deposizione di film sotto vuoto evita l'ossidazione della maggior parte delle sostanze in contatto con l'ossigeno o l'acqua presente nell'aria. L'effetto dell'azoto è dannoso per alcune sostanze le quali, in contatto con l'azoto, diventano nitruri. Alcune molecole generano reazioni chimiche con le sostanze presenti nell'aria. Di conseguenza, per crescere film o rimuoverli è necessario eseguire alcuni processi sotto vuoto.

La tecnologia del vuoto ha raggiunto una notevole grado di maturità negli ultimi cinquanta anni, non solo in campo scientifico in cui vi è una vasta comunità di ricercatori che studiano i fenomeni connessi con il vuoto, ma anche vi sono molte industrie specializzate nella produzione di pompe, apparati, misuratori di vuoto e componentistica per i vari intervalli di vuoto.

Pressione

La qualità del vuoto viene misurata dalla pressione. La pressione si misura in Pascal (Pa), per quanto tale unità di misura sia quella decisa universalmente e stabilita dalla legge, purtroppo non è ancora entrata nella pratica corrente. Il Pascal rappresenta la pressione limite di una pompa rotativa e la pressione tipica a cui avvengono i processi di deposizione mediante sputtering. Sono molto diffuse altre unità quali il bar (che è un multiplo del Pa, con un valore simile alla pressione atmosferica), l’Atmosfera, il torr o millimetro di mercurio, gli psi (pound per square inch). Di seguito per comodità è riportata una tabella che permette le conversioni

$1\ Pa$ equivale a :

• $10^{-2}\ mbar$
• $9.87\ 10^{-6}\ Atm$
• $7.5\ 10^{-3}\ Torr$
• $7.5\ mTorr$
• $1.46\ 10^{-4}\ psi$

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