Micro-elektromechanische systemen, of MEMS, zijn kleine machines die zijn gefabriceerd met behulp van apparatuur en processen die zijn ontwikkeld voor de productie van elektronische chips en apparaten. Ze hebben een breed scala aan toepassingen gevonden in de hedendaagse consumentenelektronica, maar hun bewegende delen kunnen na verloop van tijd verslijten als gevolg van wrijving.

Een nieuwe aanpak ontwikkeld door onderzoekers van MIT zou een nieuwe manier kunnen bieden om beweegbare onderdelen te maken zonder solide verbindingen tussen de stukken, waardoor mogelijk een belangrijke bron van slijtage en defecten wordt geëlimineerd.

Het nieuwe systeem gebruikt een laag vloeistofdruppels om een ​​kleine, beweegbaar platform, die in wezen bovenop de druppeltjes drijft. De druppeltjes kunnen water of een andere vloeistof zijn, en de precieze bewegingen van het platform kunnen elektrisch worden bestuurd, via een systeem dat de afmetingen van de te verhogen druppeltjes kan veranderen, lager, en kantel het platform.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in een paper in Technische Natuurkunde Brieven , co-auteur van Daniel Preston, een MIT-afgestudeerde student; Evelien Wang, de Gail E. Kendall universitair hoofddocent werktuigbouwkunde; en vijf anderen.

Preston legt uit dat het nieuwe systeem kan worden gebruikt om apparaten te maken, zoals podia voor microscoopmonsters. De focus van de microscoop kan worden gecontroleerd door het podium te verhogen of te verlagen, wat zou betekenen dat de vormen van ondersteunende vloeistofdruppels moeten worden veranderd.

Het systeem werkt door de manier te veranderen waarop de druppeltjes interageren met het oppervlak eronder, bepaald door een kenmerk dat bekend staat als de contacthoek. Deze hoek is een maat voor hoe steil de rand van de druppel is op het punt waar deze het oppervlak raakt. op hydrofiel, of wateraantrekkend, oppervlakken, druppels verspreidden zich bijna plat, het produceren van een zeer kleine contacthoek, terwijl hydrofoob, of waterafstotend, oppervlakken zorgen ervoor dat druppels bijna bolvormig zijn, nauwelijks het oppervlak raken, met zeer grote contacthoeken. Op bepaalde soorten diëlektrische oppervlakken, deze kwaliteiten kunnen over dat hele bereik worden "afgestemd" door simpelweg een spanning op het oppervlak te variëren.

Naarmate het oppervlak meer hydrofoob wordt en de druppeltjes ronder worden, hun toppen stijgen verder van het oppervlak, dus het platform verhogen - in deze tests, een dunne laag koper - die erop drijft. Door selectief verschillende druppels met verschillende hoeveelheden te veranderen, het platform kan ook selectief worden gekanteld. Dit zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de hoek van een gespiegeld oppervlak te veranderen om een ​​laserstraal te richten, zegt Preston. "Er zijn veel experimenten waarbij lasers worden gebruikt, dat zou echt baat kunnen hebben bij een manier om deze kleinschalige bewegingen te maken."

Om de positionering van de druppels te behouden in plaats van ze te laten schuiven, het team behandelde de onderkant van het drijvende platform. Ze maakten het totale oppervlak hydrofoob, maar met kleine cirkels van hydrofiel materiaal. Op die manier, alle druppels zijn stevig "vastgemaakt" aan die wateraantrekkende oppervlakken, om het platform stevig op zijn plaats te houden.

In het eerste testapparaat van de groep, de verticale positionering kan tot op 10 micron nauwkeurig worden geregeld, of miljoensten van een meter, over een bewegingsbereik van 130 micron.

MEMS-apparaten, Preston zegt, "vaak mislukken wanneer er een solide-solid contact is dat verslijt, of loopt gewoon vast. Op deze zeer kleine schaal, dingen gaan gemakkelijk kapot."

Hoewel de basistechnologie achter het veranderen van druppelvormen op een oppervlak geen nieuw idee is, Preston zegt, "niemand heeft het gebruikt om een ​​podium te verplaatsen, zonder enig vast-vast contact. De echte innovatie hier is om een ​​podium op en neer te kunnen bewegen, en verander de hoek, zonder vaste materiaalverbindingen."

In principe, het zou mogelijk zijn om een ​​groot aantal elektroden te gebruiken die kunnen worden aangepast om een ​​platform op precieze manieren over een oppervlak te verplaatsen, naast op en neer. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt voor "lab on a chip"-toepassingen, waar een biologisch monster op het platform kon worden gemonteerd en vervolgens op de microchip van de ene testlocatie naar de andere kon worden verplaatst.

Hij zegt dat het systeem relatief eenvoudig te implementeren is en dat het vrij snel ontwikkeld zou kunnen worden voor specifieke praktijktoepassingen. "Het hangt ervan af hoe gemotiveerd mensen zijn, ' zegt hij. 'Maar ik zie geen enorme barrières voor grootschalig gebruik. Ik denk dat het binnen een jaar kan gebeuren."

Het onderzoeksteam omvatte MIT-afgestudeerde studenten Ariel Anders en Yangying Zhu, Onderzoekspartner Banafsheh Barabadi, alumna Evelyn Tio '14, en student DingRan Dai. Het werk werd ondersteund door het Office of Naval Research en de National Science Foundation.