Tillverkare kan snart ha ett snabbt och oförstörande sätt att testa ett brett utbud av material under verkliga förhållanden, tack vare ett framsteg som forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har gjort i roll-to-roll-mätningar. Roll-to-roll-mått är vanligtvis optiska mätningar för roll-to-roll-tillverkning, varje metod som använder transportband för kontinuerlig bearbetning av föremål, från däck till nanoteknikkomponenter.

För att nya material som kolnanorör och grafen ska spela en allt viktigare roll i elektroniska enheter, högteknologiska kompositer och andra applikationer, tillverkare kommer att behöva kvalitetskontrolltester för att säkerställa att produkterna har önskade egenskaper, och saknar brister. Nuvarande testprocedurer kräver ofta skärning, repa eller på annat sätt vidröra en produkt, vilket saktar ner tillverkningsprocessen och kan skada eller till och med förstöra provet som testas.

För att lägga till befintliga testningsfria metoder, NIST fysiker Nathan Orloff, Christian Long och Jan Obrzut mätte filmernas egenskaper genom att föra dem genom en specialdesignad metalllåda som kallas en mikrovågshålighet. Elektromagnetiska vågor byggs upp inuti kaviteten vid en specifik "resonans" frekvens som bestäms av lådans storlek och form, liknande hur en gitarrsträng vibrerar vid en specifik tonhöjd beroende på dess längd och spänning. När ett föremål placeras inuti kaviteten, resonansfrekvensen ändras på ett sätt som beror på objektets storlek, elektriskt motstånd och dielektricitetskonstant, ett mått på ett objekts förmåga att lagra energi i ett elektriskt fält. Frekvensförändringen påminner om hur förkortning eller åtdragning av en gitarrsträng får den att resonera på en högre tonhöjd, säger Orloff.

Forskarna byggde också en elektrisk krets för att mäta dessa förändringar. De testade först sin enhet genom att köra en remsa av plasttejp känd som polyimid genom kaviteten, med hjälp av en rull-till-rulle-uppsättning som liknar högvolyms rull-till-rulle-tillverkningsanordningar som används för att massproducera nanomaterial. (Se video.) När tejpens tjocklek ökade och minskade - forskarna gjorde ändringarna i tejptjockleken "NIST" i morsekod - ändrades kavitetens resonansfrekvens i takt. Så gjorde en annan parameter som kallas "kvalitetsfaktorn, " vilket är förhållandet mellan energin som lagras i kaviteten och den förlorade energin per frekvenscykel. Eftersom polyimids elektriska egenskaper är välkända, en tillverkare kan använda kavitetsmätningarna för att övervaka om tejpen kommer från produktionslinjen med en konsekvent tjocklek – och till och med återkoppla information från mätningarna för att kontrollera tjockleken.

Alternativt en tillverkare skulle kunna använda den nya metoden för att övervaka de elektriska egenskaperna hos ett mindre välkaraktäriserat material med kända dimensioner. Orloff och Long visade detta genom att passera 12- och 15-centimeter långa filmer av kolnanorör avsatta på plastskivor genom kaviteten och mäta filmernas elektriska motstånd. Hela processen tog "mindre än en sekund, " säger Orloff. Han tillade att med industristandardutrustning, mätningarna kunde göras med hastigheter över 10 meter per sekund, mer än tillräckligt för många dagens tillverkningsoperationer.

Den nya metoden har flera fördelar för en tunnfilmstillverkare, säger Orloff. Ett, "Du kan mäta hela grejen, inte bara ett litet prov, " sa han. Sådana realtidsmätningar kan användas för att justera tillverkningsprocessen utan att stänga av den, eller att kassera en felaktig produktsats innan den kommer ut genom fabriksdörren. "Denna metod kan avsevärt öka möjligheterna att inte göra en felaktig batch i första hand, "Länge noterat.

Och eftersom metoden är oförstörande, Orloff lade till, "Om en batch klarar testet, tillverkare kan sälja det."

Filmer av kolnanorör och grafen har precis börjat tillverkas i bulk för potentiella tillämpningar som kompositmaterial för flygplan, smartphone-skärmar och bärbara elektroniska enheter.

Orloff, Long och Obrzut lämnade in en patentansökan för denna teknik i december 2015.

En tillverkare av sådana material har redan uttryckt intresse för den nya metoden, sa Orloff. "De är verkligen exalterade över det." Han tillade att metoden inte är specifik för nanotillverkning, och med ett korrekt utformat hålrum, kan också hjälpa till med kvalitetskontroll av många andra typer av produkter, inklusive däck, läkemedel och till och med öl.