Den tekniska framtiden för allt från bilar och jetmotorer till oljeriggar, tillsammans med prylarna, apparater och allmännyttiga tjänster som omfattar sakernas internet, kommer att bero på mikroskopiska sensorer.

Problemet är:Dessa sensorer är mestadels gjorda av materialet kisel, som har sina gränser. Johns Hopkins Universitys materialforskare och maskiningenjör Kevin J. Hemker har lett ett team som nu rapporterar framgång med att utveckla ett nytt material som lovar att hjälpa till att säkerställa att dessa sensorer, även känd som mikroelektromekaniska system, kan fortsätta att möta kraven från nästa tekniska gräns.

"Under ett antal år, vi har försökt göra MEMS av mer komplexa material" som är mer motståndskraftiga mot skador och bättre på att leda värme och elektricitet, sa Hemker, Alonzo G. Decker-stolen i maskinteknik vid Whiting School of Engineering. Hemker arbetade med en grupp studenter, forskare, postdoktorer och fakultet vid Whiting. Resultaten av deras framgångsrika experiment redovisas i det aktuella numret av tidskriften Vetenskapens framsteg .

De flesta MEMS-enheter har inre strukturer som är mindre än bredden på ett hårstrå och formade av kisel. Dessa enheter fungerar bra i medeltemperaturer, men även små mängder värme – ett par hundra grader – gör att de tappar sin styrka och sin förmåga att leda elektroniska signaler. Kisel är också mycket skört och benäget att gå sönder.

Av dessa anledningar, medan kisel har varit hjärtat i MEMS-teknologier i flera generationer nu, materialet är inte idealiskt, speciellt under den höga värmen och den fysiska stressen som framtida MEMS-enheter kommer att behöva tåla om de ska möjliggöra teknologier som sakernas internet.

"Dessa applikationer kräver utveckling av avancerade material med större styrka, densitet, elektrisk och termisk ledningsförmåga" som håller sin form och kan tillverkas och formas i mikroskopisk skala, skrev författarna till tidningen. "MEMS-material med denna uppsättning egenskaper är inte tillgängliga för närvarande."

Jakten på nya material fick forskarna att överväga kombinationer av metall som innehåller nickel, som vanligtvis används i avancerade konstruktionsmaterial. Nickelbaserade superlegeringar, till exempel, används för att tillverka jetmotorer. Med tanke på behovet av dimensionsstabilitet, forskarna experimenterade med att tillsätta metallerna molybden och volfram i hopp om att stävja graden av vilken rent nickel expanderar i värme.

I en utrustning ungefär lika stor som ett kylskåp i ett laboratorium på Johns Hopkins, laget träffade mål med joner för att förånga legeringarna till atomer, placera dem på en yta, eller substrat. Detta skapade en film som kan skalas bort, skapar således fristående filmer med en genomsnittlig tjocklek på 29 mikron—mindre än tjockleken på ett människohår.

Dessa fristående legeringsfilmer uppvisade extraordinära egenskaper. När man drar, de visade en draghållfasthet – vilket betyder förmågan att behålla formen utan att deformeras eller gå sönder – tre gånger större än höghållfast stål. Medan ett fåtal material har liknande styrkor, de håller antingen inte under höga temperaturer eller kan inte lätt formas till MEMS-komponenter.

"Vi trodde att legeringen skulle hjälpa oss med styrka såväl som termisk stabilitet, sa Hemker. Men vi visste inte att det skulle hjälpa oss så mycket som det gjorde.

Han sa att materialets anmärkningsvärda styrka beror på mönstring i atomskala av legeringens inre kristallstruktur. Strukturen stärker materialet och har den extra fördelen att den inte hindrar materialets förmåga att leda elektricitet.

Strukturen "har gett våra filmer en fantastisk kombination, [a] balans av fastigheter, sa Hemker.

Filmerna tål höga temperaturer och är både termiskt och mekaniskt stabila. Teammedlemmar är upptagna med att planera nästa steg i utvecklingen, vilket innebär att forma filmerna till MEMS-komponenter. Hemker sa att gruppen har lämnat in en provisorisk patentansökan för legeringen.

De andra forskarna i projektet var Timothy P. Weihs, professor i materialvetenskap och teknik; Jessica A. Krogstad, Gi-Dong Sim, och K. Madhav Reddy, som var postdoktorala under olika skeden av projektet; forskaren Kelvin Y. Xie, och nuvarande doktorand Gianna Valentino.