O futuro tecnológico de tudo, desde carros e motores a jato a plataformas de petróleo, junto com os gadgets, eletrodomésticos e serviços públicos que compreendem a internet das coisas, dependerá de sensores microscópicos.

O problema é:esses sensores são feitos principalmente de silício, que tem seus limites. O cientista de materiais e engenheiro mecânico da Universidade Johns Hopkins, Kevin J. Hemker, liderou uma equipe que agora está relatando sucesso no desenvolvimento de um novo material que promete ajudar a garantir que esses sensores, também conhecido como sistemas microeletromecânicos, pode continuar a atender às demandas da próxima fronteira tecnológica.

"Por alguns anos, estamos tentando fazer MEMS com materiais mais complexos "que sejam mais resistentes a danos e melhores na condução de calor e eletricidade, disse Hemker, Alonzo G. Decker Chair em Engenharia Mecânica na Whiting School of Engineering. Hemker trabalhou com um grupo de alunos, cientistas de pesquisa, bolsistas de pós-doutorado e professores em Whiting. Os resultados de seus experimentos bem-sucedidos são relatados na edição atual da revista. Avanços da Ciência .

A maioria dos dispositivos MEMS tem estruturas internas menores do que a largura de um fio de cabelo humano e moldadas em silício. Esses dispositivos funcionam bem em temperaturas médias, mas mesmo quantidades modestas de calor - alguns graus centígrados - fazem com que percam a força e a capacidade de conduzir sinais eletrônicos. O silício também é muito frágil e propenso a quebrar.

Por estas razões, embora o silício tenha sido o coração das tecnologias de MEMS por várias gerações, o material não é ideal, especialmente sob o alto calor e estresse físico que os futuros dispositivos MEMS terão de suportar se quiserem habilitar tecnologias como a internet das coisas.

“Essas aplicações exigem o desenvolvimento de materiais avançados com maior resistência, densidade, condutividade elétrica e térmica "que mantêm sua forma e podem ser feitas e modeladas em escala microscópica, os autores do artigo escreveram. "Materiais MEMS com este conjunto de propriedades não estão disponíveis atualmente."

A busca por novos materiais levou os pesquisadores a considerarem combinações de metal contendo níquel, que é comumente usado em materiais estruturais avançados. Superligas à base de níquel, por exemplo, são usados ​​para fazer motores a jato. Considerando a necessidade de estabilidade dimensional, os pesquisadores experimentaram adicionar os metais molibdênio e tungstênio na esperança de reduzir o grau de expansão do níquel puro com o calor.

Em um equipamento do tamanho de uma geladeira em um laboratório da Johns Hopkins, a equipe atingiu alvos com íons para vaporizar as ligas em átomos, depositando-os em uma superfície, ou substrato. Isso criou um filme que pode ser retirado, criando assim filmes independentes com uma espessura média de 29 mícrons - menos do que a espessura de um cabelo humano.

Esses filmes de liga independente exibiram propriedades extraordinárias. Quando puxado, eles mostraram uma resistência à tração - ou seja, a capacidade de manter a forma sem deformar ou quebrar - três vezes maior do que o aço de alta resistência. Embora alguns materiais tenham resistências semelhantes, eles não resistem a altas temperaturas ou não podem ser facilmente transformados em componentes MEMS.

"Achamos que a liga nos ajudaria em termos de resistência e estabilidade térmica, "disse Hemker." Mas não sabíamos que isso nos ajudaria tanto quanto ajudou. "

Ele disse que a notável resistência do material se deve à padronização em escala atômica da estrutura cristalina interna da liga. A estrutura fortalece o material e tem a vantagem adicional de não impedir a capacidade do material de conduzir eletricidade.

A estrutura "deu aos nossos filmes uma combinação fantástica, [a] equilíbrio de propriedades, "Disse Hemker.

Os filmes podem suportar altas temperaturas e são térmica e mecanicamente estáveis. Os membros da equipe estão ocupados planejando a próxima etapa de desenvolvimento, que envolve moldar os filmes em componentes MEMS. Hemker disse que o grupo entrou com um pedido provisório de patente para a liga.

Os outros pesquisadores do projeto foram Timothy P. Weihs, professor de ciência e engenharia de materiais; Jessica A. Krogstad, Sim Gi-Dong, e K. Madhav Reddy, que foram pós-doutorandos em várias etapas do projeto; o cientista pesquisador Kelvin Y. Xie, e a atual estudante de graduação Gianna Valentino.