Fabrikanten hebben binnenkort misschien een snelle en niet-destructieve manier om een ​​breed scala aan materialen te testen onder reële omstandigheden, dankzij een vooruitgang die onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben gemaakt in roll-to-roll-metingen. Roll-to-roll metingen zijn typisch optische metingen voor roll-to-roll productie, elke methode die transportbanden gebruikt voor continue verwerking van artikelen, van banden tot nanotechnologische componenten.

Om nieuwe materialen zoals koolstofnanobuisjes en grafeen een steeds belangrijkere rol te laten spelen in elektronische apparaten, hightech composieten en andere toepassingen, fabrikanten zullen kwaliteitscontroletests nodig hebben om ervoor te zorgen dat producten de gewenste kenmerken hebben, en gebreken missen. De huidige testprocedures vereisen vaak snijden, krassen of anderszins aanraken van een product, wat het fabricageproces vertraagt ​​en het te testen monster kan beschadigen of zelfs vernietigen.

Om toe te voegen aan bestaande contactloze testmethoden, NIST-natuurkundigen Nathan Orloff, Christian Long en Jan Obrzut hebben de eigenschappen van films gemeten door ze door een speciaal ontworpen metalen doos te leiden die bekend staat als een microgolfholte. Elektromagnetische golven bouwen zich op in de holte met een specifieke "resonantie" -frequentie die wordt bepaald door de grootte en vorm van de doos, vergelijkbaar met hoe een gitaarsnaar trilt op een specifieke toonhoogte, afhankelijk van de lengte en spanning. Wanneer een object in de holte wordt geplaatst, de resonantiefrequentie verandert op een manier die afhangt van de grootte van het object, elektrische weerstand en diëlektrische constante, een maat voor het vermogen van een object om energie op te slaan in een elektrisch veld. De frequentieverandering doet denken aan hoe het inkorten of aanspannen van een gitaarsnaar deze laat resoneren op een hogere toonhoogte, zegt Orloff.

De onderzoekers bouwden ook een elektrisch circuit om deze veranderingen te meten. Ze testten eerst hun apparaat door een strook plastic tape, bekend als polyimide, door de holte te laten lopen, met behulp van een roll-to-roll-opstelling die lijkt op grootschalige roll-to-roll-productieapparatuur die wordt gebruikt om nanomaterialen in massa te produceren. (Zie video.) Naarmate de dikte van de tape toenam en afnam - de onderzoekers maakten de veranderingen in de tapedikte-spreuk "NIST" in morsecode - veranderde de resonantiefrequentie van de holte tegelijkertijd. Dat gold ook voor een andere parameter, de "kwaliteitsfactor, " wat de verhouding is van de energie opgeslagen in de holte tot de energie die verloren gaat per frequentiecyclus. Omdat de elektrische eigenschappen van polyimide goed bekend zijn, een fabrikant zou de holtemetingen kunnen gebruiken om te controleren of tape met een consistente dikte van de productielijn komt - en zelfs informatie van de metingen terugkoppelen om de dikte te regelen.

Alternatief, een fabrikant zou de nieuwe methode kunnen gebruiken om de elektrische eigenschappen van een minder goed gekarakteriseerd materiaal van bekende afmetingen te controleren. Orloff en Long toonden dit aan door 12 en 15 centimeter lange films van koolstofnanobuisjes die op plastic platen waren afgezet door de holte te leiden en de elektrische weerstand van de films te meten. Het hele proces duurde "minder dan een seconde, ", zegt Orloff. Hij voegde eraan toe dat met industriestandaard apparatuur, de metingen kunnen worden uitgevoerd met snelheden van meer dan 10 meter per seconde, meer dan genoeg voor veel hedendaagse productieprocessen.

De nieuwe methode heeft verschillende voordelen voor een dunnefilmfabrikant, zegt Orloff. Een, "Je kunt het hele ding meten, niet zomaar een kleine steekproef, " zei hij. Dergelijke realtime metingen kunnen worden gebruikt om het productieproces af te stemmen zonder het stil te leggen, of om een ​​defecte partij product weg te gooien voordat het de fabrieksdeur verlaat. "Deze methode zou de vooruitzichten om in de eerste plaats geen defecte batch te maken aanzienlijk kunnen vergroten, "Lang opgemerkt.

En omdat de methode niet-destructief is, Orloff heeft toegevoegd, "Als een partij de test doorstaat, fabrikanten kunnen het verkopen."

Films van koolstofnanobuizen en grafeen beginnen net in bulk te worden vervaardigd voor mogelijke toepassingen zoals composiet vliegtuigmaterialen, smartphoneschermen en draagbare elektronische apparaten.

Orloff, Long en Obrzut dienden in december 2015 een octrooiaanvraag in voor deze techniek.

Een producent van dergelijke materialen heeft al interesse getoond in de nieuwe methode, zei Orloff. "Ze hebben er echt zin in." Hij voegde eraan toe dat de methode niet specifiek is voor nanofabricage, en met een goed ontworpen holte, kan ook helpen bij de kwaliteitscontrole van veel andere soorten producten, inclusief banden, geneesmiddelen en zelfs bier.