(Phys.org) —Krockkuddar, bläckstråleskrivare och videoprojektorer kanske inte verkar ha mycket gemensamt, men alla tre förlitar sig på verkan av små, mikroskala enheter för att fungera korrekt.

Dessa enheter, kända som mikroelektromekaniska system (MEMS), är av växande intresse för forskare på grund av deras breda användningsområde, från mikrofoner till biosensorer.

Det mesta av den nuvarande generationen av MEMS är främst gjorda av kisel, vilket till stor del beror på den relativa lättheten att tillverka kiselbaserade enheter med nuvarande teknik. Dock, kiselbaserade MEMS har några betydande nackdelar:de slits mycket snabbt på grund av friktion och de är inte biokompatibla – vilket förhindrar eventuella framtida medicinska tillämpningar i människokroppen.

Forskare vid Center for Nanoscale Materials vid U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory och en handfull andra institutioner runt om i världen har riktat sitt fokus på att utforska MEMS gjorda av ett relativt nytt material känt som ultrananokristallin diamant (UNCD), som är släta och slitstarka diamanttunna filmer.

"Robusta och pålitliga MEMS behövs för glidande och roterande åtgärder i liten skala, " Argonne nanoforskare Anirudha Sumant sa. "Kisel har inte alls lika goda mekaniska eller slitageegenskaper som diamant."

Men den relativa svårigheten att försöka skapa en MEMS-enhet från UNCD komplicerar saken. MEMS måste göras extremt exakt, och deras komponenter kan inte förskjutas på sin plats.

Målet med experimentet var att göra delen av en MEMS-enhet känd som ställdonet, som i detta fall omvandlar värmeenergi till mekanisk förskjutning eller rörelse. Ställdonet ser ut som en väv av diamanttrådar som expanderar och drar ihop sig som en bälg när den värms upp och kyls. Denna väv av diamantfilament är fäst vid ett långt skaft, som sedan i sin tur kan fästas på ett mikroväxelsystem för att ge rotationsrörelse.

Tyvärr, diamantmaterialet är behäftat med påfrestningar som forskare behöver hitta sätt att komma runt. Materialet är särskilt ökänt för vad Sumant kallar "kompressiv stress, " ett fenomen som uppstår för att diamantens atomnätverk inte expanderar så mycket under den varma fasen när filmen avsätts på ett annat material. "Huvudfrågan vi försöker lösa är hur man kan minska den inneboende spänningen i den här filmen, sa Sumant.

Lyckligtvis, flera av egenskaperna hos UNCD-filmen hjälper till att lindra stressen. UNCD består av små diamantkorn förbundna med korngränser. "Du kan tänka på dessa korngränser som ett badmintonnät; de är flexibla istället för stela, vilket är bra för att hantera stress, ", sa Sumant. "Det finns också enhetlig kornstorlek genomgående från botten till toppen, vilket är viktigt för att hålla stressen låg."

Forskarna kunde justera den inneboende stressen genom att optimera korngränsmaterialen och filmernas tjocklek.

"Detta öppnar verkligen dörren för att använda diamant för att tillverka avancerade MEMS-enheter, sa Sumant.

En studie baserad på forskningen, "Elektriskt ledande ultrananokristallin diamant för utveckling av en nästa generation av mikroaktuatorer, " dök upp i numret 2 maj av Sensorer och ställdon A:Fysiska .