Ultraviolette nano-imprintlithografie (UV-NIL) is een fabricagetechniek voor het produceren van nanostructuren met behulp van UV-uithardbare hars. Een van de belangrijkste voordelen is de pure eenvoud; UV-NIL bestaat in wezen uit het gieten van een vloeibare hars over een nanogestructureerde mal, de hars laten stollen met behulp van UV-straling, en dan uit de mal te halen. Het resultaat is een vast polymeer met een nanostructuur die omgekeerd is aan die van de mal. Met behulp van deze techniek, een grote verscheidenheid aan functionele apparaten en dunne films kunnen worden gemaakt voor toepassingen op gebieden zoals optica, elektronica, gezondheidszorg, biologie onderzoek, en zonnecellen, om er maar een paar te noemen.

Het is veilig om te zeggen dat het meest waardevolle apparaat in het hele UV-NIL-proces de master-matrijs is. Om ze langer mee te laten gaan, replica mallen gemaakt van de master mal worden gemaakt en gebruikt voor de massaproductie van nanogestructureerde apparaten. Echter, deze replica mallen zijn niet zo duurzaam als de master mal, en ze beginnen over het algemeen macroscopische tekenen van slijtage te vertonen na een paar duizend afdrukken. Helaas, er bestaat nog geen betrouwbare en standaardmethode om de levensduur van replicamatrijzen te voorspellen.

In een recente studie gepubliceerd in Nanomaterialen , onderzoekers van de Tokyo University of Science en Autex Inc., Japan, bedacht een slimme strategie om te vertellen wanneer een replicamal zal breken. Ze slaagden erin om dit te doen door te kijken naar waterdruppels die bovenop een mal werden geplaatst met een patroon van op afstand van elkaar liggende parallelle lijnen en op te merken hoe de hechting van de druppels verandert naarmate de mal verslijt en vervormt door gebruik.

Maar hoe werkt zo'n methode? Vloeistofdruppels die op een oppervlak rusten, hebben een meetbare eigenschap die contacthoek wordt genoemd, dat is de hoek waaronder de vloeistof de vaste stof op het grensvlak ontmoet. Deze hoek is gemakkelijk te meten met behulp van commerciële camerasystemen.

Nutsvoorzieningen, in een nanogestructureerde mal met parallelle lijnen (groeven), de contacthoek van water vertoont anisotropie, wat betekent dat het langs verschillende richtingen varieert. Specifieker, een waterdruppel die op een ongerepte mal met evenwijdige groeven wordt geplaatst, zal zich meer in de richting van de groeven verspreiden dan in de richting loodrecht op de groeven. Echter, de onderzoekers merkten dat, als de mal verslijt bij herhaald gebruik, de contacthoek verandert in elke richting anders. Professor Jun Taniguchi van de Tokyo University of Science legt uit:"Naarmate het aantal toepassingen van de mal toeneemt, de contacthoek langs de richting evenwijdig aan de groeven neemt lineair af. In tegenstelling tot, de contacthoek langs de loodrechte richting neemt eerst veel sneller af en blijft dan op een constante minimumwaarde. We ontdekten dat mallen de neiging hadden om bijna precies defect te raken wanneer het aantal herhalingen de contacthoeken in beide richtingen gelijk maakte."

De onderzoekers hebben hun methode geverifieerd met behulp van mallen met verschillende groefbreedtes, en de resultaten hielden stand (zie bijgaande figuur). Dit betekent dat men via een eenvoudig proces nauwkeurige voorspellingen kan doen over de resterende levensduur van een matrijs met parallelle groeven. Eerst, controleer of de contacthoek in de loodrechte richting een stabiele minimumwaarde heeft bereikt. Vervolgens, bereken de afnemende lijnfunctie met de opgeslagen waarden voor de contacthoek langs de parallelle richting. Eindelijk, bereken het aantal keren dat deze lijn de minimumwaarde zal kruisen; de mal zal hoogstwaarschijnlijk rond dat aantal breken.

Deze eenvoudige benadering zal nuttig zijn om de verwachte levensduur van schimmels voor UV-NIL te bepalen. "Hoewel onze methode alleen van toepassing is op mallen met parallelle groeven, het kan worden gebruikt om de duurzaamheid van vormmaterialen zelf te beoordelen; de voorspelde levensduur van een matrijsmateriaal geldt voor vrijwel elke vorm, " merkt de heer Shin Hiwasa van Autex Inc. op. deze studie vult een belangrijke kennislacune in UV-NIL, de bijbehorende kosten verlagen door een gemakkelijke manier te bieden om te voorspellen wanneer mallen zullen verslijten.

De voorgestelde strategie zal deze nano-imprinttechniek hopelijk toegankelijker en betrouwbaarder maken, het bevorderen van de acceptatie ervan, zowel in onderzoek als in toepassingen voor het dagelijks leven.