WD-40 für Mikromaschinen

Im Zeitalter der winzigen Geräte haben sich Casimir-Streitkräfte als Störenfriede herausgestellt. Diese komplizierten Quantenkräfte wurden 1948 entdeckt und wirken sich nur auf Objekte aus, die sehr, sehr nahe beieinander liegen. Und in Mikromaschinen wie den Beschleunigungsmessern im iPhone oder den Mikrospiegeln in digitalen Projektoren können Casimir-Kräfte dazu führen, dass winzige bewegliche Teile zusammenkleben.

die Macht ist bei ihnen : Bei dieser Anordnung winziger Objekte werden die normalerweise anziehenden Casimir-Kräfte abstoßend.

MIT-Forscher haben ein leistungsstarkes neues Werkzeug entwickelt, um die Auswirkungen dieser Kräfte zu berechnen. Damit haben sie einen Weg gefunden, winzige Objekte so anzuordnen, dass die normalerweise anziehenden Kräfte abstoßend werden. Wenn Ingenieure mikroelektromechanische Systeme (MEMS) so konstruieren können, dass die Casimir-Kräfte tatsächlich verhindern, dass ihre beweglichen Teile zusammenkleben, könnte dies die Ausfallrate bestehender und neuer MEMS senken, wie z .

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2010

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Casimir-Kräfte werden übrigens verursacht, in der quantenmechanischen Sicht des Universums blitzen subatomare Teilchen ständig ein und aus. Es gibt so viele dieser Teilchen, die nur wenige Sextilliardstel Sekunden dauern können, dass sich die Kräfte, die sie ausüben, im Allgemeinen ausgleichen. Aber wenn Objekte sehr nahe beieinander liegen – wie es in Mikromaschinen sein muss – gibt es wenig Platz für Partikel, um zwischen ihnen zu existieren. Folglich gibt es weniger Übergangspartikel zwischen ihnen, um die Kräfte auszugleichen, die von den Übergangspartikeln um sie herum ausgeübt werden. Der Druckunterschied führt schließlich dazu, dass die Objekte aufeinander zu drücken.

In den 1960er Jahren entwickelten Physiker mathematische Gleichungen, die im Prinzip die Wirkung von Casimir-Kräften auf beliebig viele winzige Objekte beliebiger Form beschreiben. Aber in den meisten Fällen blieben diese Gleichungen unerschwinglich schwer zu lösen.

Der außerordentliche Professor für angewandte Mathematik Steven Johnson, die Physik-Doktoranden Alexander McCauley und Alejandro Rodriguez '07 und der Physikprofessor John Joannopoulos haben mathematisch gezeigt, dass die Auswirkungen der Casimir-Kräfte auf Objekte, die 100 Nanometer voneinander entfernt sind, mithilfe von Objekten, die 100.000-mal so groß und 100.000 sind, präzise modelliert werden können mal so weit auseinander, eingetaucht in eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Anstatt die Kräfte zu berechnen, die winzige Partikel ausüben, die um winzige Objekte herum aufblitzen, berechnen die Forscher die Stärke eines elektromagnetischen Felds an verschiedenen Punkten um zentimetergroße Objekte herum.

Bei Objekten mit ungewöhnlichen Formen ist die Berechnung der elektromagnetischen Feldstärke in einer leitenden Flüssigkeit immer noch ziemlich kompliziert. Aber mit handelsüblicher Engineering-Software ist dies durchaus machbar. Fast jede Geometrie, die man sich vorstellen kann, wurde nicht berechnet, sagt Rodriguez. Mit dem neuen Ansatz der MIT-Forscher soll sich das ändern.

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