211service.com
Nano-smeermiddel kan ultradicht geheugen mogelijk maken
Onderzoekers hebben de weg geëffend voor geheugenchips die 10 tot 100 keer dichter zijn dan de huidige apparaten, door een manier te ontwikkelen om wrijving op nanoschaal te verminderen. De methode kan verstrekkende gevolgen hebben voor zowel micro- als nano-elektromechanische systemen (MEMS en NEMS), die worden gebruikt voor opslag en andere toepassingen in communicatie en computergebruik.
Deze afbeelding toont de dramatische vermindering van wrijving die optreedt wanneer een punt van een atoomkrachtmicroscoop wordt getrild terwijl deze over een oppervlak beweegt. Het verminderen van wrijving zou kunnen helpen bij het creëren van zeer dichte geheugenapparaten. (Met dank aan Anisoara Socoliuc, Universiteit van Basel.)
Vloeibare smeermiddelen werken niet op nanoschaal; als gevolg hiervan kunnen kleine mechanische apparaten te snel verslijten om praktisch te zijn. Nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Basel in Zwitserland een droge smeermethode ontwikkeld die kleine trillingen gebruikt om te voorkomen dat onderdelen verslijten.
De methode, beschreven in het huidige nummer van Wetenschap , zou met name nuttig kunnen zijn voor een nieuwe klasse geheugenapparaten, ontwikkeld door IBM met zijn Millipede-technologie, die duizenden atomic force-microscooppunten gebruikt om fysiek bits naar een oppervlak te schrijven door divots in een polymeersubstraat te maken en ze later uit te lezen. Het nano-smeermiddel kan ook worden gebruikt met kleine roterende spiegels die kunnen dienen als optische routers in communicatie en mechanische schakelaars, ter vervanging van transistors in computerprocessors, waardoor het stroomverbruik wordt verminderd.
Apparaten op basis van NEMS en MEMS behoren tot de meest veelbelovende nieuwe nanotechnologieën. Toch is de commercialisering van toepassingen zoals Millipede - die ruim 25 dvd's zou kunnen bevatten in een gebied ter grootte van een postzegel - gedeeltelijk opgehouden door slijtage door wrijving. Wrijving is inderdaad een bijzonder probleem bij micro- of nano-apparaten, waar contacten tussen oppervlakken kleine puntjes zijn die veel schade kunnen aanrichten.
Bij apparaten op nanoschaal wordt dit contactoppervlak steeds kleiner, zodat je minder oppervlak hebt waar je warmte kunt afvoeren, zegt Anisoara Socoliuc, een natuurkundige aan de Universiteit van Basel en co-auteur van de Wetenschap artikel. Dit leidt tot slijtage. Op deze kleine schaal is het heel gemakkelijk om het materiaal te breken of te beschadigen.
In hun experimenten bewogen de Zwitserse onderzoekers een atoomkrachtmicroscooppunt gemaakt van silicium over een testmateriaal van natriumchloride of kaliumbromide. Gewoonlijk zou de ultrascherpe punt op een stick-and-slip manier reizen, omdat wrijving herhaaldelijk opbouwt totdat de punt plotseling losbreekt. (Hetzelfde fysieke mechanisme is verantwoordelijk voor piepende deurscharnieren.) De onderzoekers losten het probleem met de plakkerige punt op door de uiteinden te laten oscilleren met behulp van veranderende spanningen. De trillingen, die zo klein zijn dat de punt continu in contact blijft met het materiaal, zorgen ervoor dat er geen energie wordt opgebouwd en plotseling vrijkomt. Als resultaat neemt de wrijving 100-voudig af.
Er zijn verschillende andere nanosmeermethoden uitgeprobeerd, waaronder het vertragen van de beweging van mechanische onderdelen tot kruipen; maar deze waren onpraktisch - veel apparaten moeten bijvoorbeeld met relatief hoge snelheden bewegen. In een eerdere studie toonden de auteurs van het huidige werk ook aan dat het voorzichtig verminderen van de hoeveelheid druk tussen twee oppervlakken de wrijving zou kunnen verminderen; maar dit bleek moeilijk te controleren.
De nieuwe methode, die veel praktischer belooft te zijn, lost een belangrijk deel van de slijtageproblemen op die de betrouwbaarheid van Millipede-type geheugenchips verminderen, zegt William King, professor werktuigbouwkunde van Georgia Tech, die aan IBM's Millipede-systeem heeft gewerkt en nu wetenschappelijk is adviseur voor een startend bedrijf, Nanochip , in Freemont, CA, dat een soortgelijk geheugen ontwikkelt op basis van MEMS en arrays van atomic force microscopie-tips. King merkt echter op dat slijtage door andere mechanismen, zoals chemische veranderingen in het materiaal in de loop van de tijd, nog steeds een probleem is.
Robert Carpick, hoogleraar technische natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, merkt op dat er nog meer onderzoek moet worden gedaan voordat deze methode in daadwerkelijke MEMS en NEMS kan worden gebruikt, maar dat het een belangrijke studie is. Welke apparaten kan dit mogelijk maken? Het is uiteindelijk aan de verbeelding. Er moet nog veel gebeuren, maar het is echt een opmerkelijk resultaat, zegt hij.