De technologische toekomst van alles, van auto's en straalmotoren tot booreilanden, samen met de gadgets, apparaten en openbare voorzieningen, waaronder het internet der dingen, zal afhangen van microscopische sensoren.

Het probleem is:deze sensoren zijn meestal gemaakt van het materiaal silicium, die zijn grenzen heeft. Johns Hopkins University materiaalwetenschapper en werktuigbouwkundig ingenieur Kevin J. Hemker heeft een team geleid dat nu succes meldt bij de ontwikkeling van een nieuw materiaal dat belooft te helpen ervoor te zorgen dat deze sensoren, ook bekend als micro-elektromechanische systemen, kunnen blijven voldoen aan de eisen van de volgende technologische grens.

"Voor een aantal jaar, we hebben geprobeerd MEMS te maken van complexere materialen "die beter bestand zijn tegen beschadiging en beter in het geleiden van warmte en elektriciteit, zei Hemker, de Alonzo G. Decker Chair in Mechanical Engineering aan de Whiting School of Engineering. Hemker werkte met een groep studenten, onderzoekswetenschappers, postdoctorale fellows en faculteit bij Whiting. De resultaten van hun succesvolle experimenten worden gerapporteerd in het huidige nummer van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

De meeste MEMS-apparaten hebben interne structuren die kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar en gevormd uit silicium. Deze apparaten werken goed bij gemiddelde temperaturen, maar zelfs een bescheiden hoeveelheid hitte - een paar honderd graden - zorgt ervoor dat ze hun kracht en hun vermogen om elektronische signalen te geleiden te verliezen. Silicium is ook erg broos en vatbaar voor breuk.

Om deze redenen, terwijl silicium al meerdere generaties het hart is van MEMS-technologieën, het materiaal is niet ideaal, vooral onder de hoge hitte en fysieke stress die toekomstige MEMS-apparaten zullen moeten weerstaan ​​als ze technologieën zoals het internet der dingen mogelijk willen maken.

"Deze toepassingen vereisen de ontwikkeling van geavanceerde materialen met grotere sterkte, dichtheid, elektrische en thermische geleidbaarheid" die hun vorm behouden en op microscopische schaal kunnen worden gemaakt en gevormd, schreven de auteurs van het artikel. "MEMS-materialen met deze reeks eigenschappen zijn momenteel niet beschikbaar."

De zoektocht naar nieuwe materialen bracht de onderzoekers ertoe om combinaties te overwegen van metaal dat nikkel bevat, die vaak wordt gebruikt in geavanceerde structurele materialen. Op nikkel gebaseerde superlegeringen, bijvoorbeeld, worden gebruikt om straalmotoren te maken. Gezien de behoefte aan dimensionale stabiliteit, de onderzoekers experimenteerden met het toevoegen van de metalen molybdeen en wolfraam in de hoop de mate waarin puur nikkel uitzet bij hitte te verminderen.

In een apparaat ter grootte van een koelkast in een laboratorium in Johns Hopkins, het team raakte doelen met ionen om de legeringen te verdampen tot atomen, neerleggen op een oppervlak, of ondergrond. Hierdoor ontstond een film die kan worden afgepeld, waardoor vrijstaande films worden gemaakt met een gemiddelde dikte van 29 micron - minder dan de dikte van een mensenhaar.

Deze vrijstaande legeringsfilms vertoonden buitengewone eigenschappen. Wanneer getrokken, ze vertoonden een treksterkte - dat wil zeggen het vermogen om vorm te behouden zonder te vervormen of te breken - die drie keer groter was dan die van hoogwaardig staal. Hoewel een paar materialen vergelijkbare sterktes hebben, ze zijn ofwel niet bestand tegen hoge temperaturen of kunnen niet gemakkelijk worden gevormd tot MEMS-componenten.

"We dachten dat de legering ons zou helpen met zowel sterkte als thermische stabiliteit, "zei Hemker. "Maar we wisten niet dat het ons zoveel zou helpen als het deed."

Hij zei dat de opmerkelijke sterkte van het materiaal te wijten is aan atomaire patronen van de interne kristalstructuur van de legering. De structuur versterkt het materiaal en heeft als bijkomend voordeel dat het het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden niet belemmert.

De structuur "heeft onze films een geweldige combinatie gegeven, [a] saldo van eigendommen, ' zei Hemker.

De films zijn bestand tegen hoge temperaturen en zijn zowel thermisch als mechanisch stabiel. Teamleden zijn druk bezig met het plannen van de volgende stap van ontwikkeling, waarbij de films worden gevormd tot MEMS-componenten. Hemker zei dat de groep een voorlopige octrooiaanvraag voor de legering heeft ingediend.

De andere onderzoekers van het project waren Timothy P. Weihs, hoogleraar materiaalkunde en techniek; Jessica A. Krogstad, Gi-Dong Sim, en K. Madhav Reddy, die tijdens verschillende stadia van het project postdoctoraal waren; onderzoekswetenschapper Kelvin Y. Xie, en huidige afgestudeerde student Gianna Valentino.