I produttori potrebbero presto avere un modo rapido e non distruttivo per testare un'ampia gamma di materiali in condizioni reali, grazie a un progresso che i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno fatto nelle misurazioni roll-to-roll. Le misurazioni roll-to-roll sono in genere misurazioni ottiche per la produzione roll-to-roll, qualsiasi metodo che utilizza nastri trasportatori per la lavorazione continua di articoli, dai pneumatici ai componenti nanotecnologici.

Affinché nuovi materiali come i nanotubi di carbonio e il grafene svolgano un ruolo sempre più importante nei dispositivi elettronici, compositi ad alta tecnologia e altre applicazioni, i produttori avranno bisogno di test di controllo della qualità per garantire che i prodotti abbiano le caratteristiche desiderate, e mancano di difetti. Le attuali procedure di prova spesso richiedono il taglio, graffiare o toccare in altro modo un prodotto, che rallenta il processo di fabbricazione e può danneggiare o addirittura distruggere il campione in esame.

Per aggiungere ai metodi di test senza contatto esistenti, I fisici del NIST Nathan Orloff, Christian Long e Jan Obrzut hanno misurato le proprietà dei film facendoli passare attraverso una scatola metallica appositamente progettata nota come cavità a microonde. Le onde elettromagnetiche si accumulano all'interno della cavità ad una specifica frequenza di "risonanza" determinata dalle dimensioni e dalla forma della scatola, simile a come una corda di chitarra vibra ad un tono specifico a seconda della sua lunghezza e tensione. Quando un oggetto viene posizionato all'interno della cavità, la frequenza di risonanza cambia in un modo che dipende dalle dimensioni dell'oggetto, resistenza elettrica e costante dielettrica, una misura della capacità di un oggetto di immagazzinare energia in un campo elettrico. Il cambio di frequenza ricorda come accorciare o stringere una corda di chitarra la fa risuonare a un tono più alto, dice Orloff.

I ricercatori hanno anche costruito un circuito elettrico per misurare questi cambiamenti. Hanno prima testato il loro dispositivo facendo passare una striscia di nastro di plastica nota come poliimmide attraverso la cavità, utilizzando una configurazione roll-to-roll simile a dispositivi di produzione roll-to-roll ad alto volume utilizzati per la produzione di massa di nanomateriali. (Vedi video.) Man mano che lo spessore del nastro aumentava e diminuiva - i ricercatori hanno apportato le modifiche all'incantesimo di spessore del nastro "NIST" in codice Morse - la frequenza di risonanza della cavità è cambiata in tandem. Così ha fatto un altro parametro chiamato "fattore di qualità, " che è il rapporto tra l'energia immagazzinata nella cavità e l'energia persa per ciclo di frequenza. Poiché le proprietà elettriche della poliimmide sono ben note, un produttore potrebbe utilizzare le misurazioni della cavità per monitorare se il nastro esce dalla linea di produzione con uno spessore costante e persino restituire informazioni dalle misurazioni per controllare lo spessore.

In alternativa, un produttore potrebbe utilizzare il nuovo metodo per monitorare le proprietà elettriche di un materiale meno ben caratterizzato di dimensioni note. Orloff e Long lo hanno dimostrato facendo passare film lunghi 12 e 15 centimetri di nanotubi di carbonio depositati su fogli di plastica attraverso la cavità e misurando la resistenza elettrica dei film. L'intero processo ha richiesto "meno di un secondo, " dice Orloff. Ha aggiunto che con attrezzature standard del settore, le misurazioni potrebbero essere effettuate a velocità superiori a 10 metri al secondo, più che sufficiente per molte operazioni di produzione odierne.

Il nuovo metodo presenta diversi vantaggi per un produttore di film sottili, dice Orloff. Uno, "Puoi misurare l'intera cosa, non solo un piccolo campione, " ha detto. Tali misurazioni in tempo reale potrebbero essere utilizzate per mettere a punto il processo di produzione senza spegnerlo, o per scartare un lotto difettoso di prodotto prima che esca dalla porta della fabbrica. "Questo metodo potrebbe aumentare significativamente le prospettive di non produrre un lotto difettoso, in primo luogo, "Nota a lungo.

E poiché il metodo non è distruttivo, Orloff ha aggiunto, "Se un lotto supera il test, i produttori possono venderlo."

I film di nanotubi di carbonio e grafene stanno appena iniziando a essere prodotti alla rinfusa per potenziali applicazioni come materiali compositi per aeroplani, schermi di smartphone e dispositivi elettronici indossabili.

orloff, Long e Obrzut hanno presentato una domanda di brevetto per questa tecnica nel dicembre 2015.

Un produttore di tali materiali ha già espresso interesse per il nuovo metodo, disse Orloff. "Sono davvero entusiasti." Ha aggiunto che il metodo non è specifico per la nanoproduzione, e con una cavità adeguatamente progettata, potrebbe anche aiutare con il controllo di qualità di molti altri tipi di prodotti, comprese le gomme, prodotti farmaceutici e persino birra.