L'avenir technologique de tout, des voitures et des moteurs à réaction aux plates-formes pétrolières, avec les gadgets, appareils et services publics comprenant l'internet des objets, dépendra de capteurs microscopiques.

Le problème, c'est que ces capteurs sont principalement constitués du matériau silicium, qui a ses limites. Le scientifique des matériaux et ingénieur en mécanique de l'Université Johns Hopkins, Kevin J. Hemker, a dirigé une équipe qui rapporte maintenant un succès dans le développement d'un nouveau matériau qui promet d'aider à garantir que ces capteurs, également appelés systèmes microélectromécaniques, peut continuer à répondre aux exigences de la prochaine frontière technologique.

« Depuis plusieurs années, nous avons essayé de fabriquer des MEMS à partir de matériaux plus complexes" plus résistants aux dommages et mieux conducteurs de la chaleur et de l'électricité, dit Hemker, la chaire Alonzo G. Decker en génie mécanique à la Whiting School of Engineering. Hemker a travaillé avec un groupe d'étudiants, chercheurs scientifiques, stagiaires postdoctoraux et professeurs à Whiting. Les résultats de leurs expériences réussies sont rapportés dans le numéro actuel de la revue Avancées scientifiques .

La plupart des dispositifs MEMS ont des structures internes plus petites que la largeur d'un cheveu humain et façonnées en silicium. Ces appareils fonctionnent bien à des températures moyennes, mais même de faibles quantités de chaleur - quelques centaines de degrés - leur font perdre leur force et leur capacité à conduire des signaux électroniques. Le silicium est également très cassant et susceptible de se briser.

Pour ces raisons, alors que le silicium est au cœur des technologies MEMS depuis plusieurs générations, le matériel n'est pas idéal, en particulier sous la chaleur élevée et le stress physique que les futurs appareils MEMS devront supporter s'ils doivent activer des technologies telles que l'Internet des objets.

"Ces applications nécessitent le développement de matériaux avancés avec une plus grande résistance, densité, conductivité électrique et thermique" qui conservent leur forme et peuvent être fabriqués et façonnés à l'échelle microscopique, les auteurs de l'article ont écrit. "Les matériaux MEMS avec cette suite de propriétés ne sont pas actuellement disponibles."

La recherche de nouveaux matériaux a conduit les chercheurs à envisager des combinaisons de métal contenant du nickel, qui est couramment utilisé dans les matériaux de structure avancés. superalliages base nickel, par exemple, sont utilisés pour fabriquer des moteurs à réaction. Compte tenu du besoin de stabilité dimensionnelle, les chercheurs ont expérimenté l'ajout des métaux molybdène et tungstène dans l'espoir de réduire le degré d'expansion du nickel pur sous l'effet de la chaleur.

Dans un équipement de la taille d'un réfrigérateur dans un laboratoire de Johns Hopkins, l'équipe a frappé des cibles avec des ions pour vaporiser les alliages en atomes, les déposer sur une surface, ou substrat. Cela a créé un film qui peut être décollé, créant ainsi des films autoportants d'une épaisseur moyenne de 29 microns, soit moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Ces films d'alliage autoportants présentaient des propriétés extraordinaires. Lorsqu'il est tiré, ils ont montré une résistance à la traction, c'est-à-dire la capacité de conserver leur forme sans se déformer ni se casser, trois fois plus que l'acier à haute résistance. Alors que quelques matériaux ont des forces similaires, ils ne résistent pas à des températures élevées ou ne peuvent pas être facilement façonnés en composants MEMS.

"Nous pensions que l'alliage nous aiderait en termes de résistance et de stabilité thermique, " a déclaré Hemker. "Mais nous ne savions pas que cela allait nous aider autant qu'il l'a fait."

Il a déclaré que la résistance remarquable du matériau est due à la structuration à l'échelle atomique de la structure cristalline interne de l'alliage. La structure renforce le matériau et a l'avantage supplémentaire de ne pas entraver la capacité du matériau à conduire l'électricité.

La structure "a donné à nos films une combinaison formidable, [un] équilibre des propriétés, " a déclaré Hemker.

Les films peuvent résister à des températures élevées et sont à la fois thermiquement et mécaniquement stables. Les membres de l'équipe sont occupés à planifier la prochaine étape de développement, qui consiste à façonner les films en composants MEMS. Hemker a déclaré que le groupe avait déposé une demande de brevet provisoire pour l'alliage.

Les autres chercheurs du projet étaient Timothy P. Weihs, professeur de science et d'ingénierie des matériaux; Jessica A. Krogstad, Gi-Dong Sim, et K. Madhav Reddy, qui ont été boursiers postdoctoraux à différentes étapes du projet; chercheur Kelvin Y. Xie, et actuelle étudiante diplômée Gianna Valentino.