MEMS: Mezi elektronikou, mechanikou a nanotechnologií - 2

Mikroelektromechanické systémy, zkráceně MEMS, kombinují elektronické prvky s mechanickými na jednom polovodičovém čipu. K jejich výrobě se používají upravené postupy známé z produkce integrovaných obvodů, které se vyznačují vysokou sériovostí a nízkými náklady. MEMS se zvolna dostávají do našeho každodenního života, k jejich rozšíření ve větším měřítku je však potřeba ještě překonat několik problémů.

MEMS: Mezi elektronikou, mechanikou a nanotechnologií


Zdroje energie
I když u MEMS není velikost tím nejdůležitějším faktorem, řada výzkumných projektů si vytkla za cíl vyrobit miniaturní stroje zaujímající objem jednoho krychlového milimetru. Pokud má jít o plně autonomní mechanismy, měly by mít k dispozici i zdroj energie odpovídající velikosti. To je prozatím jeden z nejtvrdších oříšků, které musí výzkumníci v oblasti MEMS rozlousknout. Přístupů existuje celá řada – od miniaturizace klasických nebo solárních baterií přes vodíkové palivové články až po využití radioaktivity.

Na Floridské univerzitě probíhá výzkum nanomembrán složených z nanotrubiček, které by se měly stát formami pro výrobu nanoelektrod baterií fungujících na klasickém principu anoda-katoda-elektrolyt. Postup výroby je poměrně jednoduchý. Nejdříve jsou vyrobeny formy v podobě nanotrubiček. Do nich se odlijí elektrody z požadovaného materiálu. Když látka ztuhne, jsou trubičky odstraněny. Vědci, kteří takto vyřešili problém výroby komponent, nyní pracují na technologii, jež umožní sestavit z elektrod miniaturní baterii a naplnit ji elektrolytem s dostatečně jemnou strukturou. Průběžné zkoušky ukazují, že takto vyrobené elektrody mají lepší elektromechanické vlastnosti, takže by měly mít životnost prodlouženu na 1 400 nabíjecích cyklů (oproti současným 500 cyklů). Výsledky tohoto výzkumu budeme znát zhruba do tří let.

Jinou cestou se vydali vědci z Cornellské univerzity v New Yorku. Vyvíjejí totiž radioaktivní zdroj energie, který nemusí být dobíjen a jehož životnost by měla být dostatečně dlouhá. Využívá kombinace radioaktivního izotopu (nikl s nukleonovým číslem 63) a měděného plíšku. Při rozpadu radioaktivního izotopu jsou průběžně uvolňovány elektrony, díky čemuž získává měď záporný náboj. Nikl je naopak díky úbytku elektronů nabit kladně, díky čemuž je měděná vrstva přitahována k niklové, dokud se nedotknou a dokud se nevyrovná náboj na obou plochách. Tento cyklus by měl bez přestávky probíhat alespoň polovinu poločasu rozpadu použitého izotopu, tedy zhruba 50 let. Takto získanou mechanickou energii je možné využít buď k výrobě elektřiny, nebo přímo jako pohon mechanických prvků. Jediným problémem je relativně nízký výkon, což by ovšem v případě energeticky nenáročných MEMS neměl být příliš velký handicap.

Chytrý prach
Zatím jako pohádka může znít představa počítače skládajícího se z milionů jednotek velikosti zrnka prachu pracujících na principu distribuovaných výpočtů. Tuto představu se snaží uvést do praxe výzkumníci z Kalifornské univerzity v Berkeley. Vyvíjejí totiž tzv. „inteligentní prach“ – síť výpočetních jednotek vybavených senzory a vzájemně spolu komunikujících. Objem takových částic přitom nepřesahuje 1 krychlový milimetr. Miniaturizace se ovšem netýká pouze rozměrů. S využitím inteligentního prachu poklesne i spotřeba energie – měla by se pohybovat v jednotkách nano- až pikojoulů na zpracování jednoho bitu informace.
Vědci počítají se specializací miniaturních jednotek na různé úkoly – napájení, zpracování informací, zjišťování parametrů prostředí a vzájemné propojení. Výroba inteligentního prachu by měla být natolik jednoduchá a levná, že by takto zkonstruované monitorovací přístroje šlo vypouštět pomocí práškovacího letadla nebo jimi natírat stěny, podlahy a stropy střežených objektů. Tyto druhy MEMS by mohly najít uplatnění i jako diagnostické přístroje, které bude pacient prostě polykat nebo které mu budou vpravovány přímo do krevního oběhu.
K dosažení vytčeného cíle vede ovšem ještě poměrně dlouhá cesta. Je třeba vytvořit specializované procesory s minimálními energetickými nároky, zvolit vhodnou formu komunikace a také samozřejmě získat spolehlivé zdroje energie a vyřešit způsob její distribuce.



Zařízení určené k testování MEMS součástek ve vakuu. Za takových podmínek lze u elektromechanických oscilátorů výrazně snížit provozní napětí a tím i energetické nároky.



Prototyp zařízení využívajícího k pohonu radioaktivní "baterii". Díky radioaktivnímu rozpadu a vzniku opačně nabitých a navzájem se přitahujících součástek může toto zařízení konat mechanickou práci.


Informace na webu
http://www.memsnet.org/ - vstupní brána do světa MEMS http://www.smalltimes.com/ - časopis věnovaný miniaturizaci
http://news.nanoapex.com/ - zprávy věnované nanotechnologiím
http://mems.sandia.gov/ - MEMS v jaderném výzkumu USA
http://www.trimmer.net/ - rejstřík odkazů a informací zaměřených na MEMS
http://www.darpa.mil/mto/mems/ - stránka o MEMS spravovaná armádou USA








Komentáře