Forskere udvikler superstærkt metal til næste teknologiske grænse

Den teknologiske fremtid for alt fra biler og jetmotorer til olieplatforme, sammen med gadgets, apparater og offentlige forsyninger, der omfatter tingenes internet, vil afhænge af mikroskopiske sensorer.

Problemet er:Disse sensorer er for det meste lavet af materialet silicium, som har sine grænser. Johns Hopkins University materialeforsker og maskiningeniør Kevin J. Hemker har ledet et team, der nu rapporterer succes med at udvikle et nyt materiale, der lover at hjælpe med at sikre, at disse sensorer, også kendt som mikroelektromekaniske systemer, kan fortsætte med at opfylde kravene fra den næste teknologiske grænse.

"I en årrække vi har forsøgt at lave MEMS ud af mere komplekse materialer", der er mere modstandsdygtige over for skader og bedre til at lede varme og elektricitet, sagde Hemker, Alonzo G. Decker-stolen i maskinteknik ved Whiting School of Engineering. Hemker arbejdede med en gruppe studerende, forskere, post-doc-stipendiater og fakultet ved Whiting. Resultaterne af deres vellykkede eksperimenter er rapporteret i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

De fleste MEMS-enheder har indre strukturer, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår og formet af silicium. Disse enheder fungerer godt i gennemsnitstemperaturer, men selv beskedne mængder varme – et par hundrede grader – får dem til at miste deres styrke og deres evne til at lede elektroniske signaler. Silicium er også meget skørt og tilbøjelig til at gå i stykker.

Af disse grunde, mens silicium har været hjertet i MEMS-teknologier i flere generationer nu, materialet er ikke ideelt, især under den høje varme og fysiske stress, som fremtidige MEMS-enheder skal modstå, hvis de skal muliggøre teknologier som tingenes internet.

"Disse applikationer kræver udvikling af avancerede materialer med større styrke, massefylde, elektrisk og termisk ledningsevne", der holder deres form og kan fremstilles og formes i mikroskopisk skala, skrev avisens forfattere. "MEMS-materialer med denne suite af egenskaber er ikke tilgængelige i øjeblikket."

Jagten på nye materialer fik forskerne til at overveje kombinationer af metal, der indeholder nikkel, som er almindeligt anvendt i avancerede strukturelle materialer. Nikkelbaserede superlegeringer, for eksempel, bruges til at lave jetmotorer. I betragtning af behovet for dimensionsstabilitet, forskerne eksperimenterede med at tilsætte metallerne molybdæn og wolfram i håb om at dæmpe graden, hvormed rent nikkel udvider sig i varme.

I et stykke udstyr på størrelse med et køleskab i et laboratorium hos Johns Hopkins, holdet ramte mål med ioner for at fordampe legeringerne til atomer, afsætte dem på en overflade, eller substrat. Dette skabte en film, der kan skrælles væk, dermed skabe fritstående film med en gennemsnitlig tykkelse på 29 mikron - mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

Disse fritstående legeringsfilm udviste ekstraordinære egenskaber. Når man trækker, de viste en trækstyrke - hvilket betyder evnen til at bevare formen uden at deformere eller gå i stykker - tre gange større end højstyrkestål. Mens nogle få materialer har lignende styrker, de holder enten ikke under høje temperaturer eller kan ikke let formes til MEMS-komponenter.

"Vi troede, at legeringen ville hjælpe os med styrke såvel som termisk stabilitet, sagde Hemker. Men vi vidste ikke, at det ville hjælpe os så meget, som det gjorde.

Han sagde, at materialets bemærkelsesværdige styrke skyldes mønstret i atomskala af legeringens indre krystalstruktur. Strukturen styrker materialet og har den ekstra fordel, at den ikke hæmmer materialets evne til at lede elektricitet.

Strukturen "har givet vores film en fantastisk kombination, [a] balance af ejendomme, sagde Hemker.

Filmene kan modstå høje temperaturer og er både termisk og mekanisk stabile. Teammedlemmer har travlt med at planlægge det næste trin i udviklingen, som går ud på at forme filmene til MEMS-komponenter. Hemker sagde, at gruppen har indgivet en foreløbig patentansøgning for legeringen.

De andre forskere på projektet var Timothy P. Weihs, professor i materialevidenskab og teknik; Jessica A. Krogstad, Gi-Dong Sim, og K. Madhav Reddy, som var post-doc-stipendiater under forskellige faser af projektet; forsker Kelvin Y. Xie, og nuværende kandidatstuderende Gianna Valentino.