Quando o grafeno fala, os cientistas agora podem ouvir

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Irmãos no laboratório Rice descobrem que o áudio da produção de grafeno contém dados valiosos

Publicado originalmente em Universidade Rice, Rice News.
By Mike Williams

Pode ser verdade que ver para crer, mas às vezes ouvir pode ser melhor.

Caso em questão: dois irmãos em um laboratório da Universidade Rice ouviram algo incomum enquanto produziam grafeno. No final das contas, eles determinaram que o próprio som poderia fornecer dados valiosos sobre o produto.

[Conteúdo incorporado]

Os irmãos, John Li, um ex-aluno do Rice que agora estuda na Universidade de Stanford, e Victor Li, então um estudante do ensino médio em Nova York e agora um calouro no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, são co-autores principais de um artigo que descreve o verdadeiro -análise de tempo de grafeno induzido por laser (LIG) produção através do som.

Os irmãos estavam trabalhando no laboratório do químico Rice Tour de James quando apresentaram sua hipótese e a apresentaram em uma reunião de grupo.

“O professor Tour disse: 'É interessante' e nos disse para segui-lo como um projeto potencial”, lembrou John Li.

Victor Li Cortesia da Rice Univ, Quando o grafeno fala, os cientistas agora podem ouvir

John Li Cortesia da Rice Univ, Quando o grafeno fala, os cientistas agora podem ouvir

Os resultados, que aparecem em Materiais funcionais avançados, descrevem um esquema simples de processamento de sinal acústico que analisa LIG em tempo real para determinar sua forma e qualidade.

LIG, introduzido pelo Tour Lab em 2014, faz camadas de folhas de grafeno interconectadas aquecendo a parte superior de uma fina folha de polímero a 2,500 graus Celsius (4,532 graus Fahrenheit), deixando apenas átomos de carbono para trás. Desde então, a técnica tem sido aplicada à produção de grafeno a partir de outras matérias-primas, até comida.

“Sob condições diferentes, ouvimos sons diferentes porque ocorrem processos diferentes”, disse John. “Portanto, se ouvirmos variações durante a síntese, seremos capazes de detectar diferentes materiais sendo formados.”

Ele disse que a análise de áudio permite “capacidades de controle de qualidade muito maiores, ordens de magnitude mais rápidas do que a caracterização do grafeno induzido por laser por técnicas de microscopia.

“Na análise de materiais, muitas vezes há compensações entre custo, velocidade, escalabilidade, exatidão e precisão, especialmente em termos de quanto material você pode processar sistematicamente”, disse John. “O que temos aqui nos permite dimensionar com eficiência o rendimento de nossas capacidades analíticas para toda a quantidade de material que estamos tentando sintetizar de maneira robusta.”

John convidou seu irmão mais novo para ir a Houston, sabendo que sua experiência seria uma vantagem no laboratório. “Temos conjuntos de habilidades complementares quase que intencionalmente, onde evito me especializar nas coisas que ele conhece muito bem e, da mesma forma, ele evita áreas que conheço muito bem”, disse ele. “Então formamos uma equipe muito sólida.

“Basicamente, fiz a ligação de que os sons certos correspondiam ao produto certo, e ele fez a ligação de que os diferentes sons correspondiam a produtos diferentes”, disse ele. “Além disso, ele é muito mais forte do que eu em certas técnicas computacionais, embora eu seja principalmente um experimentalista.”

Um pequeno microfone de US$ 31 da Amazon, colado na cabeça do laser e conectado a um celular dentro do gabinete do laser, capta o áudio para análise.

“Os irmãos converteram o padrão sonoro através de uma técnica matemática chamada Transformação rápida de Fourier, para que pudessem obter dados numéricos dos dados sonoros”, disse Tour. “Através de alguns cálculos matemáticos, esses dados podem ser uma ferramenta analítica quase instantânea para avaliar o tipo e a pureza do produto.”

Alex Lathem, estudante de pós-graduação em física aplicada na Rice, prepara uma amostra para laser. O laboratório está usando som para analisar a síntese de grafeno induzido por laser em tempo real. Foto de Brandon Martin

John Li disse que os sons emitidos “fornecem informações sobre o relaxamento da entrada de energia quando o laser atinge a amostra e é absorvido, transmitido, espalhado, refletido ou apenas em geral convertido em diferentes tipos de energia. Isso nos permite obter informações locais sobre as propriedades da microestrutura, morfologia e características em nanoescala do grafeno.”

Tour continua impressionado com sua engenhosidade.

“O que esses irmãos criaram é incrível”, disse ele. “Eles ouvem os sons da síntese à medida que ela é executada e, a partir disso, podem determinar o tipo e a qualidade do produto quase instantaneamente. Esta poderia ser uma abordagem importante durante a síntese para orientar os parâmetros de fabricação.”

Ele disse que uma análise sólida poderia contribuir para uma série de processos de fabricação, incluindo o de seu próprio laboratório. aquecimento Joule flash, um método para produzir grafeno e outros materiais a partir de resíduos, bem como sinterização, engenharia de fases, engenharia de deformação, deposição química de vapor, combustão, recozimento, corte a laser, evolução de gás, destilação e muito mais.

“Entre a experiência experimental de John e o talento matemático de Victor, a equipe da família é formidável”, disse Tour. “A minha maior alegria é proporcionar uma atmosfera onde as mentes jovens possam criar e florescer e, neste caso, eles demonstraram uma experiência muito além da sua idade, tendo John apenas 19 anos e Victor 17 na altura da sua descoberta.”

Os co-autores do artigo são os estudantes de pós-graduação da Rice, Jacob Beckham e Weiyin Chen, o pesquisador de pós-doutorado Bing Deng, o ex-aluno Duy Luong e o cientista pesquisador Carter Kittrell. Tour é titular da cátedra TT e WF Chao em Química, bem como professor de ciência da computação, ciência de materiais e nanoengenharia.

O Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-19-1-0296) apoiou a pesquisa.

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