La litografia a nanoimpronta ultravioletta (UV-NIL) è una tecnica di produzione per la produzione di nanostrutture utilizzando resina polimerizzabile con UV. Uno dei suoi principali vantaggi è la sua assoluta semplicità; UV-NIL consiste essenzialmente nel versare una resina liquida su uno stampo nanostrutturato, facendo solidificare la resina mediante irraggiamento UV, e poi rilasciandolo dallo stampo. Il risultato è un polimero solido con una nanostruttura che è l'inverso di quello dello stampo. Utilizzando questa tecnica, è possibile realizzare una grande varietà di dispositivi funzionali e film sottili per applicazioni in campi come l'ottica, elettronica, assistenza sanitaria, ricerca in biologia, e celle solari, per citarne solo alcuni.

È sicuro dire che l'attrezzatura più preziosa nell'intero processo UV-NIL è lo stampo principale. Per farli durare più a lungo, stampi replica realizzati dallo stampo master sono realizzati e utilizzati per la produzione di massa di dispositivi nanostrutturati. Però, questi stampi replica non sono durevoli come lo stampo principale, e generalmente iniziano a mostrare segni macroscopici di usura dopo un paio di migliaia di impronte. Sfortunatamente, non esiste ancora un metodo affidabile e standard per prevedere la durata delle repliche degli stampi.

In un recente studio pubblicato su Nanomateriali , ricercatori della Tokyo University of Science e Autex Inc., Giappone, ha escogitato una strategia intelligente per capire quando uno stampo di replica si romperà. Sono riusciti a farlo osservando le gocce d'acqua posizionate sopra uno stampo con uno schema di linee parallele distanziate e notando come l'aderenza delle gocce cambia man mano che lo stampo si consuma e si deforma con l'uso.

Ma come funziona un metodo del genere? Le goccioline di liquido appoggiate su una superficie hanno una proprietà misurabile chiamata angolo di contatto, che è l'angolo con cui il liquido incontra il solido all'interfaccia. Questo angolo è facilmente misurabile utilizzando sistemi basati su telecamere commerciali.

Ora, in uno stampo nanostrutturato a linee parallele (solchi), l'angolo di contatto dell'acqua mostra anisotropia, nel senso che varia lungo direzioni diverse. Più specificamente, una goccia d'acqua posta su uno stampo incontaminato con scanalature parallele si diffonderà lungo la direzione delle scanalature più che nella direzione perpendicolare alle scanalature. Però, i ricercatori hanno notato che, poiché lo stampo si consuma con l'uso ripetuto, l'angolo di contatto cambia in modo diverso lungo ciascuna direzione. Il professor Jun Taniguchi della Tokyo University of Science spiega:"Con l'aumentare del numero di utilizzi dello stampo, l'angolo di contatto lungo la direzione parallela alle scanalature diminuisce linearmente. In contrasto, l'angolo di contatto lungo la direzione perpendicolare diminuisce dapprima molto più rapidamente e poi si mantiene ad un valore minimo costante. Abbiamo scoperto che gli stampi tendevano a diventare difettosi quasi esattamente quando il numero di ripetizioni rendeva uguali gli angoli di contatto in entrambe le direzioni".

I ricercatori hanno verificato il loro metodo utilizzando stampi con diverse larghezze di scanalatura, e i risultati mantenuti (si veda la figura allegata). Ciò significa che si possono fare previsioni accurate sulla durata residua di uno stampo con scanalature parallele attraverso un semplice processo. Primo, verificare che l'angolo di contatto in direzione perpendicolare abbia raggiunto un valore minimo stabile. Quindi, calcolare la funzione di linea decrescente con i valori memorizzati per l'angolo di contatto lungo la direzione parallela. Finalmente, calcolare il numero di utilizzi dopo i quali questa linea intersecherà il valore minimo; lo stampo molto probabilmente si romperà intorno a quel numero.

Questo semplice approccio sarà utile per determinare la durata prevista degli stampi per UV-NIL. "Sebbene il nostro metodo sia applicabile solo a stampi con scanalature parallele, può essere utilizzato per valutare la durabilità dei materiali degli stampi stessi; la durata prevista di un materiale per stampi si applica praticamente a qualsiasi forma, " osserva il signor Shin Hiwasa di Autex Inc. Nel complesso, questo studio colma un'importante lacuna di conoscenza in UV-NIL, riducendo i costi associati fornendo un modo semplice per prevedere quando gli stampi si usurano.

Si spera che la strategia proposta renda questa tecnica di nanoimprinting più accessibile e affidabile, favorendone l'adozione sia nella ricerca che nelle applicazioni per la vita quotidiana.