NIST opfinder flåde og hurtig test til kvalitetskontrol af nanofremstilling (m/ video)

Producenter kan snart få en hurtig og ikke-destruktiv måde at teste en lang række materialer under virkelige forhold, takket være et fremskridt, som forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har gjort i roll-to-roll-målinger. Roll-to-roll-målinger er typisk optiske målinger til roll-to-roll-fremstilling, enhver metode, der anvender transportbånd til kontinuerlig behandling af emner, fra dæk til nanoteknologiske komponenter.

For at nye materialer såsom kulstofnanorør og grafen kan spille en stadig vigtigere rolle i elektroniske enheder, højteknologiske kompositter og andre applikationer, producenter vil have brug for kvalitetskontroltest for at sikre, at produkter har de ønskede egenskaber, og mangler fejl. Nuværende testprocedurer kræver ofte skæring, ridser eller på anden måde rører ved et produkt, hvilket bremser fremstillingsprocessen og kan beskadige eller endda ødelægge prøven, der testes.

For at tilføje eksisterende test-ikke-kontaktmetoder, NIST fysikere Nathan Orloff, Christian Long og Jan Obrzut målte filmegenskaber ved at føre dem gennem en specialdesignet metalkasse kendt som et mikrobølgehulrum. Elektromagnetiske bølger opbygges inde i hulrummet ved en bestemt "resonans" frekvens bestemt af boksens størrelse og form, svarende til hvordan en guitarstreng vibrerer ved en bestemt tonehøjde afhængigt af dens længde og spænding. Når en genstand placeres inde i hulrummet, resonansfrekvensen ændres på en måde, der afhænger af objektets størrelse, elektrisk modstand og dielektrisk konstant, et mål for et objekts evne til at lagre energi i et elektrisk felt. Frekvensændringen minder om, hvordan afkortning eller opstramning af en guitarstreng får den til at resonere i en højere tonehøjde, siger Orloff.

Forskerne byggede også et elektrisk kredsløb til at måle disse ændringer. De testede først deres enhed ved at køre en strimmel plastiktape kendt som polyimid gennem hulrummet, ved hjælp af en rulle-til-rulle-opsætning, der ligner højvolumen rulle-til-rulle-fremstillingsenheder, der bruges til at masseproducere nanomaterialer. (Se video.) Efterhånden som båndets tykkelse steg og faldt - forskerne lavede ændringerne i båndtykkelsen til "NIST" i morsekode - ændrede hulrummets resonansfrekvens sig i tandem. Det samme gjorde en anden parameter kaldet "kvalitetsfaktoren, " som er forholdet mellem den energi, der er lagret i hulrummet og den energi, der går tabt pr. frekvenscyklus. Fordi polyimids elektriske egenskaber er velkendte, en producent kunne bruge hulrumsmålingerne til at overvåge, om tape kommer fra produktionslinjen med en ensartet tykkelse - og endda tilbageføre oplysninger fra målingerne for at kontrollere tykkelsen.

Alternativt en producent kunne bruge den nye metode til at overvåge de elektriske egenskaber af et mindre velkarakteriseret materiale af kendte dimensioner. Orloff og Long demonstrerede dette ved at føre 12- og 15 centimeter lange film af carbon-nanorør afsat på plastplader gennem hulrummet og måle filmens elektriske modstand. Hele processen tog "mindre end et sekund, " siger Orloff. Han tilføjede, at med industristandardudstyr, målingerne kunne tages ved hastigheder over 10 meter i sekundet, mere end nok til mange nutidige produktionsoperationer.

Den nye metode har flere fordele for en tyndfilmsproducent, siger Orloff. En, "Du kan måle det hele, ikke bare en lille prøve, " sagde han. Sådanne realtidsmålinger kunne bruges til at tune fremstillingsprocessen uden at lukke den ned, eller at kassere et defekt parti produkt, før det kommer ud af fabriksdøren. "Denne metode kunne markant øge udsigterne til ikke at lave en defekt batch i første omgang, "Længe bemærket.

Og fordi metoden er ikke-destruktiv, Orloff tilføjede, "Hvis en batch består testen, producenter kan sælge det."

Film af kulstof nanorør og grafen er lige begyndt at blive fremstillet i løs vægt til potentielle anvendelser såsom komposit flymaterialer, smartphoneskærme og bærbare elektroniske enheder.

Orloff, Long og Obrzut indsendte en patentansøgning for denne teknik i december 2015.

En producent af sådanne materialer har allerede udtrykt interesse for den nye metode, sagde Orloff. "De er virkelig begejstrede for det." Han tilføjede, at metoden ikke er specifik for nanofremstilling, og med et korrekt designet hulrum, kunne også hjælpe med kvalitetskontrol af mange andre slags produkter, inklusive dæk, lægemidler og endda øl.