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L'isolamento dalle vibrazioni a rigidità negativa sta guadagnando popolarità come soluzione preferita per le applicazioni nanotecnologiche in ambito accademico e industriale

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DR. DAVID L. PLATUS, INVENTORE DEGLI ISOLATORI DI VIBRAZIONI A RIGIDITÀ NEGATIVA E PRESIDENTE E FONDATORE DELLA TECNOLOGIA MENO K

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Non molto tempo fa prendere la decisione su dove localizzare un microscopio a scansione (SPM) era semplice: metterlo nel seminterrato dove la vibrazione ambientale è ridotta al minimo. Anche se di recente, con la crescita esponenziale delle applicazioni nanotecnologiche, scienziati e ingegneri stanno collocando le loro apparecchiature in una moltitudine di luoghi dove il rumore di vibrazione è significativamente elevato. SPM, interferometri e profilatori di stilo sono collocati in luoghi che rappresentano una seria sfida per l'isolamento dalle vibrazioni.

Inoltre, nel tentativo di mantenere i costi il più bassi possibile, molti accademici e professionisti del settore non stanno provvedendo in modo adeguato all'isolamento dalle vibrazioni sulle nano-attrezzature ultra-sensibili che vengono installate nei loro impianti. Sebbene le installazioni ad alto budget (del valore di centinaia di migliaia di dollari) includano in genere un adeguato isolamento dalle vibrazioni, questo non è il caso di molte installazioni a budget ridotto (quelle che spendono meno di 120.000 dollari per le apparecchiature), che rappresentano il settore in più rapida crescita nell'universo delle nanotecnologie. Si stima che il 40-50% di questi siti, sia in ambito accademico che industriale, siano stati avviati con un inadeguato isolamento dalle vibrazioni.

Ciò è influenzato in una certa misura dal fatto che coloro che specificano le nano-attrezzature non sempre ne comprendono appieno la sensibilità estrema e che è necessaria una corretta selezione del sito e l'isolamento dalle vibrazioni. Qualsiasi tipo di microscopio - anche un microscopio ottico ad alta potenza - o altro strumento di livello nanometrico deve essere isolato contro il rumore, altrimenti le immagini appaiono diffuse e confuse o a volte non lo sono affatto.

Gli isolatori di vibrazioni sono una di quelle necessità su cui le persone non sono realmente focalizzate al momento dell'acquisto di uno strumento come un microscopio a forza atomica (AFM)", ha spiegato George McMurtry, CEO di NanoAndMore USA, fornitore di sonde, punte e cantilever AFM.

Ma è diverso per i più grandi microscopi elettronici a scansione (SEM) e i microscopi elettronici a trasmissione (TEM) perché si tratta di apparecchiature molto costose che tecnicamente richiedono ogni tipo di isolamento per funzionare correttamente. Poi, sono piu' inclini a parlarne in anticipo"

Interferometro laser Interferometro Isolamento delle vibrazioni

McMurtry ha continuato: "Quando si entra negli strumenti più piccoli, come i microscopi a forza atomica, gli interferometri a luce bianca, gli interferometri laser e i profilatori di stilo, si incontrano problemi con la preparazione del sito. In molti casi non viene eseguita molta preparazione del cantiere, nonostante il fatto che questi strumenti possano essere seduti al quarto piano di un edificio e, senza isolamento, finiranno per produrre immagini davvero pessime.

"I clienti ci chiedono spesso quale sonda risolverà un problema specifico che stanno vivendo. A volte nessuna sonda risolverà il loro problema, in quanto devono prima risolvere il loro problema di rumore, e questo significa guardare a una sorta di isolamento meccanico"

Man mano che la strumentazione diventa sempre più complessa, e le misure diventano sempre più piccole, le vibrazioni presenti iniziano a dominare e aumenta la necessità di un isolamento più efficace. Gli isolatori sono stati usati fin dall'inizio con gli AFM negli anni '80, ma non c'erano molti AFM in quel periodo e la maggior parte di essi erano in cantina. L'uso della nano-strumentazione è cresciuto drasticamente e la necessità di un maggiore isolamento ha seguito questa tendenza.

"Ci sono così tante persone che utilizzano gli AFM in così tanti ambienti diversi che gli isolatori sono più spesso necessari", ha confermato Mark Flowers, presidente di Nanoscience Instruments, fornitore di strumenti di metrologia su micro e nano scala. "All'inizio si metteva l'AFM nel seminterrato, ma ora la gente vuole usarlo ai piani superiori.

Il seminterrato è un ambiente molto migliore per le AFM e un ambiente in cui possono cavarsela con un isolatore non sofisticato": "In molti casi, il consumatore non è consapevole della necessità dell'isolamento.

Discutiamo con loro il tipo di ambiente in cui l'apparecchiatura andrà a lavorare e le applicazioni che seguiranno, prima di determinare di cosa avranno bisogno in un isolatore. Stiamo assistendo a un'enorme crescita nel mercato dell'istruzione; ci sono molte iniziative per esporre i laureandi e gli studenti delle scuole superiori alle nanotecnologie, ma non necessariamente sanno di cosa hanno bisogno per sostenere un adeguato isolamento"

Le vibrazioni sono di solito molto sottili. Ad esempio, non possono essere percepiti attraverso le mani o i piedi, ma causano un notevole rumore e disturbo per un AFM o un interferometro.

Le vibrazioni sono attribuibili a una moltitudine di fattori, non provengono da un solo luogo. Gli edifici stessi sono costantemente in vibrazione e quindi emettono rumore. L'intensità di queste vibrazioni varia a seconda dell'età dell'edificio e dell'altezza dal suolo in cui si trova l'apparecchiatura.

"MAN MANO CHE LA STRUMENTAZIONE DIVENTA SEMPRE PIÙ COMPLESSA, E LE MISURE DIVENTANO SEMPRE PIÙ PICCOLE, LE VIBRAZIONI PRESENTI INIZIANO A DOMINARE, E LA NECESSITÀ DI UN ISOLAMENTO PIÙ EFFICACE AUMENTA"

Poi ci sono quei fattori all'interno dell'edificio, per esempio, sistemi di riscaldamento e ventilazione, ventilatori, pompe non adeguatamente isolate e ascensori. Questi dispositivi meccanici sono responsabili di un'enorme quantità di vibrazioni e, a seconda della distanza dagli strumenti, possono o meno essere influenzati negativamente.

Infine, devono essere presi in considerazione anche i fattori esterni all'edificio, come il traffico adiacente, la costruzione e le condizioni meteorologiche. Ad esempio, una brezza provoca una piccola quantità di movimento, ma l'oscillazione della sola brezza misura circa 2 Hz e può causare una risonanza sostanziale. Un treno vicino all'edificio provoca un movimento nella lastra di cemento, nulla di visibile ad occhio nudo o addirittura percepibile, ma ha conseguenze disastrose per la strumentazione. Queste influenze interne ed esterne causano vibrazioni a bassa frequenza, provocando il caos con la nano-strumentazione.

Immaginate di tentare di misurare solo pochi angstrom o nanometri di spostamento utilizzando uno strumento su una superficie non completamente stabile. Eventuali vibrazioni trasferite alla struttura meccanica dello strumento causano rumori verticali e, fondamentalmente, si traduce nell'impossibilità di misurare questo tipo di caratteristiche ad alta risoluzione.

Per risolvere il problema viene utilizzato un isolatore di vibrazioni, ma la gravità del problema determina il tipo di isolatore necessario. I tavoli ad aria compressa sono stati utilizzati a partire dagli anni '60. Sono fondamentalmente lattine d'aria e rimangono gli isolatori più popolari. Tuttavia, le tavole d'aria offrono frequenze di risonanza da 2 a 2,5 Hz e possono quindi tipicamente gestire solo vibrazioni fino a circa 8-10 Hz, non abbastanza basse per prestazioni ottimali sulle moderne apparecchiature di livello nanometrico. A fini di chiarezza sugli interferometri e sugli SPM, le tavole d'aria sono una soluzione di isolamento inefficiente. Sono stati adeguati fino a dieci anni fa, quando un migliore isolamento è diventato un requisito.

I lettori possono ricordare che durante i primi anni della nanotecnologia, i ricercatori hanno deciso di sospendere le loro costosissime AFM dalle corde elastiche appese al soffitto come mezzo per sostenere un accettabile isolamento dalle vibrazioni. Anche se alcuni utilizzano ancora questa tecnica, il loro numero sta diminuendo; la maggior parte di essi non sono disposti a correre il rischio di immagini e set di dati scadenti e sono quindi passati all'uso di sistemi di isolamento dalle vibrazioni affidabili.

Uno di questi sistemi è l'isolamento attivo, noto anche come cancellazione elettronica della forza. L'isolamento attivo utilizza l'elettronica per rilevare il movimento, e poi mette in pari quantità di movimento elettronicamente per compensare, annullando efficacemente il movimento. La loro efficienza va bene per le più recenti applicazioni nanotecnologiche perché possono iniziare ad isolare fino a 0,7 Hz, quindi abbastanza sufficiente per isolare le frequenze più basse che sono così dannose per la chiarezza dell'immagine con gli SPM e gli interferometri.

Tuttavia, se la strumentazione può essere isolata meccanicamente ma non deve fare affidamento sull'elettricità, questa è una restrizione in meno che deve essere considerata nell'equazione di isolamento delle vibrazioni. Infatti, il sistema di rigidità negativa è diventato una scelta popolare proprio per questo motivo. Non solo è una soluzione altamente funzionale, ma offre la flessibilità di posizionamento e la portabilità che altri sistemi di isolamento dalle vibrazioni non hanno.

Gli isolatori a rigidità negativa consentono un approccio passivo per ottenere ambienti a bassa vibrazione e isolamento contro le vibrazioni al di sotto di Hz. Consentono agli strumenti sensibili alle vibrazioni, come i microtester, i SEM e gli SPM, di operare in ambienti soggetti a forti vibrazioni, come i piani superiori degli edifici e le camere bianche. Le immagini e i dati prodotti sono di gran lunga migliori di quelli ottenibili con gli isolatori pneumatici.

Gli isolatori a rigidezza negativa si basano su un concetto unico e completamente meccanico nell'isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza e comprendono sia un isolatore a movimento verticale con meccanismo di rigidezza negativa (NSM) che un isolatore a movimento orizzontale NSM. Una molla rigida che supporta un carico di peso viene combinata con un NSM per formare l'isolatore a movimento verticale. La rigidità verticale netta è resa molto bassa senza compromettere la capacità di sostenere il carico statico della molla. Le colonne del fascio sono collegate in serie con l'isolatore a movimento verticale per formare l'isolatore a movimento orizzontale.

La rigidità orizzontale delle colonne delle travi è ridotta dall'effetto trave-colonna. Una trave-colonna si comporta come una molla se combinata con un NSM. Il risultato è un isolatore passivo compatto in grado di produrre frequenze naturali verticali e orizzontali molto basse e frequenze strutturali interne molto alte.

"CIÒ CHE GLI ISOLATORI DI RIGIDITÀ NEGATIVA FORNISCONO È DAVVERO UNICO NEL CAMPO DELLA NANOTECNOLOGIA. LA TRASMISSIBILITÀ È NOTEVOLMENTE MIGLIORATA RISPETTO AI SISTEMI DI ISOLAMENTO ATTIVO O ALL'ARIA"

"Il miglioramento dell'isolamento dalle vibrazioni è direttamente correlato al miglioramento delle prestazioni degli strumenti", ha dichiarato Patrick O'Hara, ex presidente e CEO di Ambios Technology, produttore di SPM, profilatori di stilo e interferometri ottici utilizzati nelle nanotecnologie (da allora acquisiti da KLA-Tencor). "Quando si cerca di misurare le caratteristiche della scala atomica, strutture di supporto meccanicamente stabili sono di fondamentale importanza. Fino all'avvento dei microscopi a sonda e di altre tecniche di imaging ad altissima risoluzione e di acquisizione dati, gli isolatori d'aria erano adeguati per la maggior parte delle applicazioni, ma non lo sono più"

O'Hara ha continuato: "Ciò che gli isolatori di rigidità negativa forniscono è davvero unico nel campo delle nanotecnologie. In particolare, mi riferisco alla loro trasmissibilità. E' la vibrazione che trasmette attraverso l'isolatore misurata in funzione delle vibrazioni del pavimento. La trasmissibilità è notevolmente migliorata grazie ai sistemi di isolamento attivo o all'aria"

"CIÒ CHE GLI ISOLATORI DI RIGIDITÀ NEGATIVA FORNISCONO È DAVVERO UNICO NEL CAMPO DELLA NANOTECNOLOGIA. IN PARTICOLARE, MI RIFERISCO ALLA LORO TRASMISSIBILITÀ. CIOÈ LA VIBRAZIONE CHE TRASMETTE ATTRAVERSO L'ISOLATORE MISURATA IN FUNZIONE DELLE VIBRAZIONI DEL PAVIMENTO. LA TRASMISSIBILITÀ È NOTEVOLMENTE MIGLIORATA RISPETTO AI SISTEMI DI ISOLAMENTO ATTIVO O ALL'ARIA"

Gli isolatori di rigidità negativa risuonano a 0.5 Hz. A questa frequenza, non c'è quasi nessuna energia presente. Sarebbe molto insolito trovare una vibrazione significativa a 0,5 Hz. Le vibrazioni con frequenze superiori a 0,7 Hz (dove gli isolatori di rigidità negativa iniziano ad isolare) vengono rapidamente attenuate con aumenti di frequenza. Gli isolatori d'aria possono peggiorare i problemi di isolamento dalle vibrazioni, poiché hanno una frequenza di risonanza che può corrispondere a quella delle vibrazioni del pavimento.

Se regolati a 0,5 Hz, gli isolatori a rigidità negativa raggiungono circa il 93% di efficienza di isolamento a 2 Hz, il 99% a 5 Hz e il 99,7% a 10 Hz.

I progressi nell'isolamento dalle vibrazioni hanno permesso alla produzione e alla ricerca di raggiungere livelli di precisione che non erano possibili prima, quando l'isolamento pneumatico era l'unica opzione. I sistemi di isolamento dalle vibrazioni, sia attivi che a rigidità negativa, si sono evoluti negli ultimi 20 anni e consentono ora alla strumentazione di precisione di funzionare a nanolivelli con una precisione senza precedenti.

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