Wenn Graphen spricht, können Wissenschaftler jetzt zuhören

Brüder im Rice-Labor finden, dass Audiodaten aus der Graphenproduktion wertvolle Daten enthalten

Ursprünglich veröffentlicht Rice University, Rice News.
By Mike Williams

Es mag stimmen, dass Sehen gleich Glauben bedeutet, aber manchmal kann Hören besser sein.

Ein typisches Beispiel: Zwei Brüder in einem Labor der Rice University hörten bei der Herstellung von Graphen etwas Ungewöhnliches. Letztendlich kamen sie zu dem Schluss, dass der Klang selbst ihnen wertvolle Informationen über das Produkt liefern könnte.

Die Brüder John Li, ein Rice-Absolvent, der jetzt an der Stanford University studiert, und Victor Li, damals High-School-Schüler in New York und jetzt Erstsemester am Massachusetts Institute of Technology, sind Co-Hauptautoren eines Artikels, der die Realität beschreibt -Zeitanalyse von laserinduziertes Graphen (LIG) Produktion durch Ton.

Die Brüder arbeiteten im Labor des Rice-Chemikers James-Tour als sie ihre Hypothese aufstellten und diese bei einem Gruppentreffen vorstellten.

„Professor Tour sagte: ‚Es ist interessant‘ und forderte uns auf, es als potenzielles Projekt weiterzuverfolgen“, erinnert sich John Li.

Victor Li Mit freundlicher Genehmigung der Rice University, Wenn Graphen spricht, können Wissenschaftler jetzt zuhören

John Li Mit freundlicher Genehmigung der Rice University, Wenn Graphen spricht, können Wissenschaftler jetzt zuhören

Die Ergebnisse, die in erscheinen Fortgeschrittene Funktionsmaterialien, beschreiben ein einfaches akustisches Signalverarbeitungsschema, das LIG in Echtzeit analysiert, um seine Form und Qualität zu bestimmen.

LIG, 2014 vom Tour-Labor eingeführt, stellt Schichten aus miteinander verbundenen Graphenschichten her, indem die Oberseite einer dünnen Polymerschicht auf 2,500 Grad Celsius (4,532 Grad Fahrenheit) erhitzt wird, wobei nur Kohlenstoffatome zurückbleiben. Die Technik wurde seitdem zur Herstellung von Graphen aus anderen Rohstoffen angewendet. sogar Essen.

„Unter verschiedenen Bedingungen hören wir unterschiedliche Geräusche, weil unterschiedliche Prozesse ablaufen“, sagte John. „Wenn wir also während der Synthese Variationen hören, könnten wir erkennen, dass sich unterschiedliche Materialien bilden.“

Er sagte, die Audioanalyse ermögliche „weitaus bessere Möglichkeiten zur Qualitätskontrolle, die um Größenordnungen schneller sind als die Charakterisierung von laserinduziertem Graphen durch Mikroskopietechniken.“

„Bei der Materialanalyse gibt es oft Kompromisse zwischen Kosten, Geschwindigkeit, Skalierbarkeit, Genauigkeit und Präzision, insbesondere im Hinblick darauf, wie viel Material man systematisch verarbeiten kann“, sagte John. „Was wir hier haben, ermöglicht es uns, den Durchsatz unserer analytischen Fähigkeiten auf robuste Weise effizient auf die gesamte Materialmenge zu skalieren, die wir zu synthetisieren versuchen.“

John lud seinen jüngeren Bruder nach Houston ein, da er wusste, dass sein Fachwissen im Labor von Vorteil sein würde. „Wir verfügen fast von Natur aus über komplementäre Fähigkeiten, sodass ich es vermeide, mich auf die Dinge zu spezialisieren, die er sehr gut kennt, und er vermeidet auch Bereiche, die ich sehr gut kenne“, sagte er. „Wir bilden also ein sehr solides Team.

„Im Grunde habe ich die Verbindung hergestellt, dass die richtigen Geräusche dem richtigen Produkt entsprechen, und er hat die Verbindung hergestellt, dass die verschiedenen Geräusche den verschiedenen Produkten entsprechen“, sagte er. „Außerdem ist er in bestimmten Rechentechniken viel besser als ich, während ich in erster Linie ein Experimentator bin.“

Ein kleines, 31 US-Dollar teures Mikrofon von Amazon, das am Laserkopf befestigt und an einem Mobiltelefon im Lasergehäuse befestigt ist, nimmt den Ton zur Analyse auf.

„Die Brüder wandelten das Klangmuster durch eine mathematische Technik namens a um Schnelle Fourier-Transformation, damit sie numerische Daten aus den Schalldaten gewinnen konnten“, sagte Tour. „Durch einige mathematische Berechnungen können diese Daten ein nahezu sofortiges Analysetool zur Beurteilung der Produktart und -reinheit sein.“

Alex Lathem, ein Doktorand der angewandten Physik an der Rice University, bereitet eine Probe für die Laserbestrahlung vor. Das Labor analysiert mithilfe von Schall die Synthese von laserinduziertem Graphen in Echtzeit. Foto von Brandon Martin

John Li sagte, die emittierten Geräusche „liefern Informationen über die Entspannung des Energieeintrags, wenn der Laser auf die Probe trifft und absorbiert, übertragen, gestreut, reflektiert oder einfach ganz allgemein in verschiedene Arten von Energie umgewandelt wird.“ Dadurch können wir lokale Informationen über die Eigenschaften der Mikrostruktur, Morphologie und nanoskaligen Eigenschaften des Graphens erhalten.“

Tour bleibt von ihrem Einfallsreichtum beeindruckt.

„Was sich diese Brüder ausgedacht haben, ist erstaunlich“, sagte er. „Sie hören die Geräusche der Synthese, während sie ausgeführt wird, und können daraus nahezu augenblicklich Produkttyp und -qualität bestimmen. Dies könnte ein wichtiger Ansatz während der Synthese sein, um Herstellungsparameter zu steuern.“

Er sagte, eine fundierte Analyse könne zu einer Reihe von Herstellungsprozessen beitragen, darunter auch in seinem eigenen Labor Blitz Joulesche Erwärmung, eine Methode zur Herstellung von Graphen und anderen Materialien aus Abfallprodukten, sowie Sintern, Phasentechnik, Spannungstechnik, chemische Gasphasenabscheidung, Verbrennung, Glühen, Laserschneiden, Gasentwicklung, Destillation und mehr.

„Mit Johns experimentellem Fachwissen und Victors mathematischem Talent ist das Familienteam beeindruckend“, sagte Tour. „Meine größte Freude ist es, eine Atmosphäre zu schaffen, in der junge Köpfe kreativ sein und sich entfalten können, und in diesem Fall haben sie ihr Fachwissen unter Beweis gestellt, das weit über ihr Alter hinausgeht, da John zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung erst 19 und Victor 17 Jahre alt war.“

Mitautoren des Papiers sind die Rice-Absolventen Jacob Beckham und Weiyin Chen, der Postdoktorand Bing Deng, der Alumnus Duy Luong und der Wissenschaftler Carter Kittrell. Tour ist TT- und WF-Chao-Lehrstuhl für Chemie sowie Professor für Informatik sowie für Materialwissenschaften und Nanotechnik.

Das Air Force Office of Scientific Research (FA9550-19-1-0296) unterstützte die Forschung.

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Quelle: https://cleantechnica.com/2022/01/20/when-graphene-speaks-scientists-can-now-listen/