(Phys.org) —Airbags, inkjetprinters en videoprojectoren lijken misschien niet veel gemeen te hebben, maar ze vertrouwen alle drie op de actie van kleine, microschaal apparaten om goed te kunnen werken.

Deze apparaten, bekend als micro-elektromechanische systemen (MEMS), zijn van groeiend belang voor onderzoekers vanwege hun brede scala aan toepassingen, van microfoons tot biosensoren.

De meeste van de huidige generatie MEMS zijn voornamelijk gemaakt van silicium, wat grotendeels te danken is aan het relatieve gemak van het maken van op silicium gebaseerde apparaten met de huidige technologie. Echter, MEMS op siliciumbasis hebben een paar belangrijke nadelen:ze slijten zeer snel door wrijving en ze zijn niet biocompatibel, waardoor mogelijke toekomstige medische toepassingen in het menselijk lichaam worden voorkomen.

Onderzoekers van het Center for Nanoscale Materials van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en een handvol andere instellingen over de hele wereld hebben hun focus gericht op het verkennen van MEMS gemaakt van een relatief nieuw materiaal dat bekend staat als ultrananokristallijne diamant (UNCD), die gladde en slijtvaste dunne diamantfilms zijn.

"Robuuste en betrouwbare MEMS zijn nodig voor glijdende en roterende acties op kleine schaal, "Argonne nanowetenschapper Anirudha Sumant zei. "Silicium heeft lang niet zo goede mechanische of slijtage-eigenschappen als diamant."

Maar de relatieve moeilijkheid om te proberen een MEMS-apparaat van UNCD te maken, maakt de zaken ingewikkelder. MEMS moeten uiterst nauwkeurig worden gemaakt, en hun componenten kunnen niet verschuiven.

Het doel van het experiment was om het deel van een MEMS-apparaat bekend te maken als de actuator, die in dit geval warmte-energie omzet in mechanische verplaatsing of beweging. De actuator ziet eruit als een web van diamantdraden dat uitzet en samentrekt als een balg als het wordt verwarmd en afgekoeld. Dit web van diamantfilamenten is bevestigd aan een lange schacht, die dan op zijn beurt kan worden bevestigd aan een microtandwielsysteem om een ​​roterende beweging te bieden.

Helaas, het diamantmateriaal wordt geteisterd door spanningen die wetenschappers nodig hebben om manieren te vinden om dit te omzeilen. Het materiaal is vooral berucht om wat Sumant "drukspanning, " een fenomeen dat optreedt omdat het atomaire netwerk van de diamant niet zo veel uitzet tijdens de hete fase wanneer de film op een ander materiaal wordt afgezet. "De belangrijkste vraag die we proberen op te lossen is hoe we de intrinsieke spanning in deze film kunnen verminderen, ' zei Sumant.

Gelukkig, verschillende eigenschappen van de UNCD-film helpen de stress te verlichten. UNCD bestaat uit kleine diamantkorrels verbonden door korrelgrenzen. "Je kunt deze korrelgrenzen zien als een badmintonnet; ze zijn flexibel in plaats van stijf, wat goed is voor het opvangen van stress, Sumant zei. "Er is ook een uniforme korrelgrootte van onder naar boven, wat belangrijk is om de stress laag te houden."

De onderzoekers konden de intrinsieke spanning afstemmen door de korrelgrensmaterialen en de dikte van de films te optimaliseren.

"Dit opent echt de deur voor het gebruik van diamant voor het vervaardigen van geavanceerde MEMS-apparaten, ' zei Sumant.

Een onderzoek op basis van het onderzoek, "Elektrisch geleidende ultrananokristallijne diamant voor de ontwikkeling van een volgende generatie micro-actuatoren, " verscheen in het nummer van 2 mei van Sensoren en actuatoren A:Fysiek .