When Graphene Speaks, Scientists Can Now Listen

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Broeders in het Rice-lab ontdekken dat audio van de productie van grafeen waardevolle gegevens bevat

Gepubliceerd op Rijst Universiteit, Rijst Nieuws.
By Mike Williams

Het kan waar zijn dat zien geloven is, maar soms kan horen beter zijn.

Een voorbeeld: twee broers in een laboratorium van de Rice University hoorden iets ongewoons tijdens het maken van grafeen. Uiteindelijk kwamen ze tot de conclusie dat het geluid zelf hen waardevolle gegevens over het product kon opleveren.

[Ingesloten inhoud]

De broers, John Li, een Rice-alumnus die nu aan Stanford University studeert, en Victor Li, destijds een middelbare scholier in New York en nu eerstejaars aan het Massachusetts Institute of Technology, zijn co-hoofdauteurs van een artikel dat de werkelijke situatie beschrijft. -tijdanalyse van door laser geïnduceerd grafeen (LIG) productie door middel van geluid.

De broers werkten in het laboratorium van Rice-chemicus James tour toen ze hun hypothese bedachten en deze tijdens een groepsbijeenkomst presenteerden.

“Professor Tour zei: ‘Het is interessant’ en vertelde ons dat we het als een potentieel project moesten nastreven”, herinnert John Li zich.

Victor Li Met dank aan Rice Univ, Als grafeen spreekt, kunnen wetenschappers nu luisteren

John Li Met dank aan Rice Univ, Als grafeen spreekt, kunnen wetenschappers nu luisteren

De resultaten, die verschijnen in Geavanceerde functionele materialen, beschrijf een eenvoudig akoestisch signaalverwerkingsschema dat LIG in realtime analyseert om de vorm en kwaliteit ervan te bepalen.

LIG, geïntroduceerd door het Tourlab in 2014, maakt lagen van onderling verbonden grafeenvellen door de bovenkant van een dunne polymeerplaat te verwarmen tot 2,500 graden Celsius (4,532 graden Fahrenheit), waardoor alleen koolstofatomen achterblijven. De techniek is sindsdien toegepast op het maken van grafeen uit andere grondstoffen, zelfs eten.

“Onder verschillende omstandigheden horen we verschillende geluiden omdat er verschillende processen plaatsvinden”, zegt John. "Dus als we tijdens de synthese variaties horen, kunnen we detecteren dat er verschillende materialen worden gevormd."

Hij zei dat audioanalyse ‘veel grotere kwaliteitscontrolemogelijkheden mogelijk maakt die ordes van grootte sneller zijn dan de karakterisering van lasergeïnduceerd grafeen door microscopietechnieken.

“Bij materiaalanalyse zijn er vaak afwegingen tussen kosten, snelheid, schaalbaarheid, nauwkeurigheid en precisie, vooral als het gaat om de hoeveelheid materiaal die je systematisch kunt verwerken”, zegt John. “Wat we hier hebben, stelt ons in staat om de doorvoer van onze analytische capaciteiten efficiënt te schalen naar de volledige hoeveelheid materiaal die we op een robuuste manier proberen te synthetiseren.”

John nodigde zijn jongere broer uit naar Houston, omdat hij wist dat zijn expertise een pluspunt zou zijn in het laboratorium. “We hebben bijna per definitie complementaire vaardigheden, waarbij ik vermijd me te specialiseren in de dingen die hij heel goed weet, en op dezelfde manier vermijdt hij gebieden die ik heel goed ken”, zei hij. “We vormen dus een heel solide team.

“Eigenlijk legde ik het verband dat de juiste geluiden overeenkomen met het juiste product, en hij legde het verband dat de verschillende geluiden correspondeerden met verschillende producten”, zei hij. “Bovendien is hij veel sterker dan ik in bepaalde computationele technieken, terwijl ik vooral een experimentator ben.”

Een kleine microfoon van $ 31 van Amazon, vastgeplakt aan de laserkop en bevestigd aan een mobiele telefoon in de laserkast, pikt het geluid op voor analyse.

“De broers hebben het geluidspatroon omgezet met behulp van een wiskundige techniek genaamd a Snelle Fourier-transformatie, zodat ze numerieke gegevens uit de geluidsgegevens konden halen”, zei Tour. “Door middel van enkele wiskundige berekeningen kunnen die gegevens een vrijwel onmiddellijk analytisch hulpmiddel zijn om het producttype en de zuiverheid te beoordelen.”

Alex Lathem, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde aan Rice, bereidt een monster voor om te laseren. Het laboratorium gebruikt geluid om de synthese van lasergeïnduceerd grafeen in realtime te analyseren. Foto door Brandon Martin

John Li zei dat de uitgezonden geluiden “informatie verschaffen over de ontspanning van de energie-invoer wanneer de laser het monster raakt en wordt geabsorbeerd, verzonden, verstrooid, gereflecteerd of gewoon in het algemeen omgezet in verschillende soorten energie. Dat stelt ons in staat om lokale informatie te verkrijgen over de eigenschappen van de microstructuur, morfologie en kenmerken op nanoschaal van grafeen.”

Tour blijft onder de indruk van hun vindingrijkheid.

“Wat deze broers bedacht hebben is verbazingwekkend”, zei hij. “Ze horen de geluiden van de synthese terwijl deze wordt uitgevoerd, en op basis daarvan kunnen ze vrijwel onmiddellijk het producttype en de kwaliteit bepalen. Dit zou een belangrijke aanpak kunnen zijn tijdens de synthese om de productieparameters te sturen.”

Hij zei dat een goede analyse zou kunnen bijdragen aan een aantal productieprocessen, waaronder die van zijn eigen laboratorium flash Joule-verwarming, een methode om grafeen en andere materialen te maken uit afvalproducten, evenals sinteren, fase-engineering, spanningstechniek, chemische dampafzetting, verbranding, gloeien, lasersnijden, gasontwikkeling, destillatie en meer.

“Tussen de experimentele expertise van John en het wiskundige talent van Victor is het familieteam formidabel”, aldus Tour. “Mijn grootste vreugde is het creëren van een sfeer waarin jonge geesten kunnen creëren en bloeien, en in dit geval hebben ze blijk gegeven van expertise die hun leeftijd ver overstijgt; John was pas 19 en Victor 17 op het moment van hun ontdekking.”

Co-auteurs van het artikel zijn Rice-studenten Jacob Beckham en Weiyin Chen, postdoctoraal onderzoeker Bing Deng, alumnus Duy Luong en onderzoekswetenschapper Carter Kittrell. Tour is de T.T. en W.F. Chao-leerstoel in de scheikunde en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nano-engineering.

Het Air Force Office of Scientific Research (FA9550-19-1-0296) steunde het onderzoek.

Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.