When Graphene Speaks, Scientists Can Now Listen

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I fratelli del laboratorio Rice scoprono che l'audio della produzione di grafene contiene dati preziosi

Originariamente pubblicato su Rice University, Notizie sul riso.
By Mike Williams

Può essere vero che vedere è credere, ma a volte sentire può essere migliore.

Caso in questione: due fratelli in un laboratorio della Rice University hanno sentito qualcosa di insolito mentre producevano il grafene. Alla fine, hanno stabilito che il suono stesso avrebbe potuto fornire loro dati preziosi sul prodotto.

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I fratelli John Li, un alunno della Rice che ora studia alla Stanford University, e Victor Li, allora studente delle superiori a New York e ora matricola al Massachusetts Institute of Technology, sono co-autori di un articolo che descrive la realtà -analisi temporale di grafene indotto dal laser (LIG) produzione attraverso il suono.

I fratelli lavoravano nel laboratorio del chimico Rice James tour quando hanno elaborato la loro ipotesi e l'hanno presentata in una riunione di gruppo.

"Il professor Tour ha detto: 'È interessante' e ci ha detto di portarlo avanti come potenziale progetto", ha ricordato John Li.

Victor Li Per gentile concessione della Rice Univ, Quando il grafene parla, gli scienziati ora possono ascoltare

John Li Per gentile concessione della Rice University, Quando il grafene parla, gli scienziati ora possono ascoltare

I risultati, che appaiono in Materiali funzionali avanzati, descrivono un semplice schema di elaborazione del segnale acustico che analizza il LIG in tempo reale per determinarne la forma e la qualità.

LIG, introdotto dal Tour lab nel 2014, crea strati di fogli di grafene interconnessi riscaldando la parte superiore di un sottile foglio di polimero a 2,500 gradi Celsius (4,532 gradi Fahrenheit), lasciando dietro di sé solo atomi di carbonio. Da allora la tecnica è stata applicata per produrre grafene da altre materie prime, anche il cibo.

"In condizioni diverse, sentiamo suoni diversi perché si verificano processi diversi", ha detto John. "Quindi, se sentiamo variazioni durante la sintesi, saremmo in grado di rilevare la formazione di diversi materiali."

Ha affermato che l’analisi audio consente “capacità di controllo di qualità molto maggiori che sono ordini di grandezza più veloci rispetto alla caratterizzazione del grafene indotto dal laser mediante tecniche di microscopia.

"Nell'analisi dei materiali, ci sono spesso dei compromessi tra costo, velocità, scalabilità, accuratezza e precisione, soprattutto in termini di quantità di materiale che è possibile elaborare sistematicamente", ha affermato John. "Ciò che abbiamo qui ci consente di adattare in modo efficiente la produttività delle nostre capacità analitiche all'intera quantità di materiale che stiamo cercando di sintetizzare in modo robusto."

John ha invitato suo fratello minore a Houston, sapendo che la sua esperienza sarebbe stata un vantaggio in laboratorio. "Abbiamo competenze complementari quasi in base alla progettazione, per cui evito di specializzarmi nelle cose che lui conosce molto bene e, allo stesso modo, evita le aree che io conosco molto bene", ha detto. “Quindi formiamo una squadra molto solida.

"Fondamentalmente, io ho stabilito che i suoni giusti corrispondono al prodotto giusto, e lui ha stabilito che i diversi suoni corrispondevano a prodotti diversi", ha detto. "Inoltre, è molto più bravo di me in alcune tecniche computazionali, mentre io sono principalmente uno sperimentalista."

Un piccolo microfono da $ 31 di Amazon fissato alla testa del laser e collegato a un cellulare all'interno dell'armadietto del laser raccoglie l'audio per l'analisi.

“I fratelli hanno convertito il modello sonoro attraverso una tecnica matematica chiamata a Trasformata di Fourier veloce, in modo da poter ottenere dati numerici dai dati sonori", ha affermato Tour. "Attraverso alcuni calcoli matematici, tali dati possono diventare uno strumento analitico quasi istantaneo per valutare il tipo e la purezza del prodotto."

Alex Lathem, uno studente laureato in fisica applicata alla Rice, prepara un campione per l'applicazione al laser. Il laboratorio utilizza il suono per analizzare in tempo reale la sintesi del grafene indotto dal laser. Foto di Brandon Martin

John Li ha affermato che i suoni emessi “forniscono informazioni sul rilassamento dell'energia immessa quando il laser colpisce il campione e viene assorbito, trasmesso, disperso, riflesso o semplicemente in generale convertito in diversi tipi di energia. Ciò ci consente di ottenere informazioni locali sulle proprietà della microstruttura, della morfologia e delle caratteristiche su scala nanometrica del grafene”.

Il Tour rimane colpito dal loro ingegno.

"Ciò che hanno inventato questi fratelli è sorprendente", ha detto. “Stanno ascoltando i suoni della sintesi mentre viene eseguita e da ciò possono determinare il tipo e la qualità del prodotto quasi istantaneamente. Questo potrebbe essere un approccio importante durante la sintesi per guidare i parametri di produzione”.

Ha affermato che l'analisi del suono potrebbe contribuire a una serie di processi di produzione, compreso quello del suo laboratorio flash Joule riscaldamento, un metodo per produrre grafene e altri materiali da prodotti di scarto, nonché sinterizzazione, ingegneria di fase, ingegneria della deformazione, deposizione di vapori chimici, combustione, ricottura, taglio laser, evoluzione del gas, distillazione e altro ancora.

"Tra l'esperienza sperimentale di John e il talento matematico di Victor, il team di famiglia è formidabile", ha detto Tour. "La mia gioia più grande è creare un'atmosfera in cui le giovani menti possano creare e fiorire e, in questo caso, hanno dimostrato competenze ben oltre la loro età, dato che John aveva solo 19 anni e Victor 17 al momento della loro scoperta."

Coautori dell'articolo sono gli studenti laureati della Rice Jacob Beckham e Weiyin Chen, il ricercatore post-dottorato Bing Deng, l'alunno Duy Luong e il ricercatore Carter Kittrell. Tour è la cattedra Chao di TT e WF in Chimica, nonché professore di informatica, scienza dei materiali e nanoingegneria.

L'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica militare (FA9550-19-1-0296) ha sostenuto la ricerca.

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