Quanto possono durare piccoli ingranaggi e altre microscopiche parti mobili prima che si consumino? Quali sono i segnali di avvertimento che questi componenti stanno per guastarsi, cosa può succedere in pochi decimi di secondo? Cercando di fornire risposte chiare a queste domande, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un metodo per tracciare più rapidamente i sistemi microelettromeccanici (MEMS) mentre funzionano e, altrettanto importante, mentre smettono di funzionare.

Utilizzando questo metodo per l'analisi microscopica dei guasti, ricercatori e produttori potrebbero migliorare l'affidabilità dei componenti MEMS che stanno sviluppando, che vanno da robot e droni in miniatura a minuscole pinze per la chirurgia oculare e sensori per rilevare tracce di sostanze chimiche tossiche.

Nell'ultimo decennio, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno misurato il movimento e le interazioni tra i componenti MEMS. Nel loro ultimo lavoro, gli scienziati sono riusciti a fare queste misurazioni cento volte più velocemente, sulla scala dei millesimi, piuttosto che decimi, di un secondo.

La scala temporale più rapida ha consentito ai ricercatori di risolvere i dettagli più fini dei movimenti transitori ed irregolari che possono verificarsi prima e durante il guasto dei MEMS. Le misurazioni più rapide hanno anche consentito di eseguire più rapidamente i test ripetitivi, necessari per valutare la durata dei sistemi meccanici in miniatura. I ricercatori del NIST, tra cui Samuel Stavis e Craig Copeland, descritto il loro lavoro nel Journal of Microelectromechanical Systems .

Come nel loro lavoro precedente, il team ha etichettato i componenti MEMS con particelle fluorescenti per tracciare il loro movimento. Utilizzo di microscopi ottici e fotocamere sensibili per visualizzare e visualizzare le particelle che emettono luce, i ricercatori hanno monitorato spostamenti di pochi miliardesimi di metro e rotazioni di pochi milionesimi di radiante. Un microradiante è l'angolo corrispondente ad un arco di circa 10 metri lungo la circonferenza della terra.

Un sistema di imaging più veloce e particelle fluorescenti più grandi, che emettono più luce, ha fornito agli scienziati gli strumenti per eseguire le misurazioni del tracciamento delle particelle cento volte più rapidamente di prima.

"Se non puoi misurare come si muovono i componenti di un MEMS nella relativa lunghezza e scala temporale, poi è difficile capire come funzionano e come migliorarli, " ha detto Copeland.

Nel loro sistema di prova, Stavis, Copeland e i loro colleghi hanno testato parte di un motore microelettromeccanico. La parte di prova scattava avanti e indietro, ruotando un ingranaggio attraverso un meccanismo a cricchetto. Sebbene questo sistema sia uno dei MEMS più affidabili che trasferiscono il moto attraverso parti in contatto strisciante, tuttavia può presentare problemi come prestazioni irregolari e guasti prematuri.

Il team ha scoperto che l'urto delle parti a contatto nel sistema, se il contatto tra le parti è avvenuto in un solo punto o spostato tra più punti, e usura delle superfici di contatto, potrebbero tutti svolgere un ruolo chiave nella durata dei MEMS.

"Il nostro metodo di tracciamento è ampiamente applicabile allo studio del movimento dei microsistemi, e continuiamo ad avanzarlo, " disse Stavi.