Il futuro tecnologico di tutto, dalle automobili ai motori a reazione alle piattaforme petrolifere, insieme ai gadget, elettrodomestici e servizi di pubblica utilità compreso l'Internet delle cose, dipenderà da sensori microscopici.

Il problema è:questi sensori sono per lo più realizzati con il materiale silicio, che ha i suoi limiti. Lo scienziato dei materiali e ingegnere meccanico della Johns Hopkins University, Kevin J. Hemker, ha guidato un team che ora sta riportando il successo nello sviluppo di un nuovo materiale che promette di aiutare a garantire che questi sensori, noti anche come sistemi microelettromeccanici, può continuare a soddisfare le esigenze della prossima frontiera tecnologica.

"Da alcuni anni, abbiamo cercato di creare MEMS con materiali più complessi" che sono più resistenti ai danni e conducono meglio il calore e l'elettricità, disse Hemker, la cattedra di ingegneria meccanica Alonzo G. Decker presso la Whiting School of Engineering. Hemker ha lavorato con un gruppo di studenti, scienziati ricercatori, borsisti post-dottorato e docenti a Whiting. I risultati dei loro esperimenti di successo sono riportati nell'attuale numero della rivista Progressi scientifici .

La maggior parte dei dispositivi MEMS ha strutture interne più piccole della larghezza di una ciocca di capelli umani e modellate in silicio. Questi dispositivi funzionano bene a temperature medie, ma anche modeste quantità di calore, un paio di centinaia di gradi, fanno perdere loro la forza e la capacità di condurre segnali elettronici. Il silicio è anche molto fragile e soggetto a rotture.

Per queste ragioni, mentre il silicio è il cuore delle tecnologie MEMS ormai da diverse generazioni, il materiale non è ideale, soprattutto sotto l'alto calore e lo stress fisico che i futuri dispositivi MEMS dovranno sopportare se vogliono abilitare tecnologie come l'Internet delle cose.

"Queste applicazioni richiedono lo sviluppo di materiali avanzati con maggiore resistenza, densità, conducibilità elettrica e termica" che mantengono la loro forma e possono essere realizzati e modellati su scala microscopica, scrivono gli autori del saggio. "I materiali MEMS con questa suite di proprietà non sono attualmente disponibili."

La ricerca di nuovi materiali ha portato i ricercatori a considerare combinazioni di metalli contenenti nichel, che è comunemente usato in materiali strutturali avanzati. superleghe a base di nichel, Per esempio, sono usati per fare motori a reazione. Considerando la necessità di stabilità dimensionale, i ricercatori hanno sperimentato l'aggiunta dei metalli molibdeno e tungsteno nella speranza di ridurre il grado di espansione del nichel puro in calore.

In un apparecchio delle dimensioni di un frigorifero in un laboratorio della Johns Hopkins, il team ha colpito obiettivi con ioni per vaporizzare le leghe in atomi, depositandoli su una superficie, o substrato. Questo ha creato un film che può essere rimosso, creando così film autoportanti con uno spessore medio di 29 micron, meno dello spessore di un capello umano.

Questi film in lega indipendenti hanno mostrato proprietà straordinarie. Quando tirato, hanno mostrato una resistenza alla trazione, ovvero la capacità di mantenere la forma senza deformarsi o rompersi, tre volte maggiore dell'acciaio ad alta resistenza. Mentre alcuni materiali hanno punti di forza simili, o non resistono alle alte temperature o non possono essere facilmente modellati in componenti MEMS.

"Pensavamo che la lega ci avrebbe aiutato con forza e stabilità termica, " ha detto Hemker. "Ma non sapevamo che ci avrebbe aiutato tanto quanto ha fatto."

Ha detto che la notevole forza del materiale è dovuta al patterning su scala atomica della struttura cristallina interna della lega. La struttura rinforza il materiale e ha l'ulteriore vantaggio di non ostacolare la capacità del materiale di condurre elettricità.

La struttura "ha dato ai nostri film una combinazione formidabile, [a] equilibrio delle proprietà, "Ha detto Hemker.

I film possono resistere alle alte temperature e sono sia termicamente che meccanicamente stabili. I membri del team sono impegnati a pianificare il prossimo passo dello sviluppo, che comporta la modellazione dei film in componenti MEMS. Hemker ha affermato che il gruppo ha presentato una domanda di brevetto provvisoria per la lega.

Gli altri ricercatori del progetto erano Timothy P. Weihs, professore di scienza e ingegneria dei materiali; Jessica A. Krogstad, Gi-Dong Sim, e K. Madhav Reddy, chi sono stati borsisti post-dottorato durante le varie fasi del progetto; scienziato ricercatore Kelvin Y. Xie, e l'attuale laureanda Gianna Valentino.