Kiedy grafen przemawia, naukowcy mogą teraz słuchać

Może być prawdą, że widzenie oznacza wiarę, ale czasami słyszenie może być lepsze.

Przykład: Dwóch braci w laboratorium Rice University usłyszało coś niezwykłego podczas robienia grafen. Ostatecznie sami ustalili, że dźwięk może dać im cenne dane o produkcie.

Bracia, John Li, absolwent Rice obecnie studiujący na Uniwersytecie Stanforda, oraz Victor Li, wówczas uczeń liceum w Nowym Jorku, a teraz student pierwszego roku w Massachusetts Institute of Technology, są współautorami artykułu, który opisuje prawdziwe -analiza czasowa wytwarzania grafenu indukowanego laserowo (LIG) za pomocą dźwięku.

Bracia pracowali w laboratorium Jamesa Toura, chemika Rice, kiedy wymyślili swoją hipotezę i przedstawili ją na spotkaniu grupowym.

„Professor Tour powiedział: „To jest interesujące” i powiedział nam, abyśmy kontynuowali to jako potencjalny projekt – wspomina John Li.

Wyniki, które pojawiają się w Zaawansowane materiały funkcjonalneopisują prosty schemat przetwarzania sygnału akustycznego, który analizuje LIG w czasie rzeczywistym w celu określenia jego formy i jakości.

LIG, wprowadzony przez laboratorium Tour w 2014 roku, tworzy warstwy połączonych arkuszy grafenu, podgrzewając wierzch cienkiego arkusza polimeru do 2500 stopni Celsjusza (4532 stopni Fahrenheita), pozostawiając po sobie tylko atomy węgla. Technika ta została od tego czasu zastosowana do wytwarzania grafenu z innych surowców, nawet żywności.

„W różnych warunkach słyszymy różne dźwięki ponieważ zachodzą różne procesy”, powiedział John. „Więc jeśli usłyszymy zmiany podczas syntezy, będziemy w stanie wykryć różne powstające materiały”.

Powiedział, że analiza audio pozwala na „o wiele większe możliwości kontroli jakości, które są o rzędy wielkości szybsze niż charakterystyka grafenu indukowanego laserowo za pomocą technik mikroskopowych.

„W analizie materiałów często dochodzi do kompromisów między kosztem, szybkością, skalowalnością, dokładnością i precyzją, zwłaszcza jeśli chodzi o ilość materiału, który można systematycznie przetwarzać” — powiedział John. „To, co mamy tutaj, pozwala nam skutecznie skalować przepustowość naszych możliwości analitycznych do całej ilości materiału, który staramy się zsyntetyzować w solidny sposób”.

John zaprosił swojego młodszego brata do Houston, wiedząc, że jego wiedza będzie dodatkowym atutem w laboratorium. „Mamy uzupełniające się zestawy umiejętności prawie od samego początku, gdzie unikam specjalizowania się w rzeczach, które on bardzo dobrze zna, a także unika obszarów, które bardzo dobrze znam” – powiedział. „Więc tworzymy bardzo solidny zespół.

„Zasadniczo stwierdziłem, że właściwe dźwięki odpowiadają właściwemu produktowi, a on stwierdził, że różne dźwięki odpowiadają różnym produktom” – powiedział. „Ponadto jest znacznie silniejszy ode mnie w niektórych technikach obliczeniowych, podczas gdy ja jestem przede wszystkim eksperymentatorem”.

Mały mikrofon Amazona o wartości 31 dolarów przyklejony taśmą do głowicy lasera i podłączony do telefonu komórkowego w obudowie lasera odbiera dźwięk do analizy.

„Bracia przekonwertowali wzór dźwięku poprzez a technika matematyczna zwana szybką transformacją Fouriera, aby mogli uzyskać dane liczbowe z danych dźwiękowych” – powiedział Tour. „Dzięki pewnym obliczeniom matematycznym dane te mogą być niemal natychmiastowym narzędziem analitycznym do oceny rodzaju i czystości produktu”.

John Li powiedział, że emitowane dźwięki „dostarczają informacji na temat rozluźnienia wkładu energii, gdy laser uderza w próbkę i zostaje pochłonięty, przesłany, rozproszony, odbity lub po prostu zamieniony na różne rodzaje energii. To pozwala nam uzyskać lokalne informacje na temat właściwości mikrostruktury, morfologii i nanoskali grafenu.”

Tour pozostaje pod wrażeniem ich pomysłowości.

„To, co wymyślili ci bracia, jest niesamowite” – powiedział. „Słyszą dźwięki syntezy w trakcie jej wykonywania, dzięki czemu mogą niemal natychmiast określić rodzaj i jakość produktu. To może być ważne podejście podczas synteza do kierowania parametrami produkcyjnymi.”

Powiedział, że analiza dźwięku może przyczynić się do wielu procesów produkcyjnych, w tym do ogrzewania błyskawicznego Joule w jego własnym laboratorium, metody wytwarzania grafenu i innych materiałów z produktów odpadowych, a także do spiekania, inżynierii fazowej, inżynierii naprężeń, chemicznego osadzania z fazy gazowej, spalania, Wyżarzanie, cięcie laserowe, wydzielanie gazu, destylacja i inne.

„Pomiędzy eksperymentalną wiedzą Johna i matematycznym talentem Victora, rodzinny zespół jest niesamowity” – powiedział Tour. „Moją największą radością jest zapewnienie atmosfery, w której młode umysły mogą tworzyć i rozwijać się, a w tym przypadku wykazali się wiedzą znacznie wykraczającą poza swoje lata, John miał zaledwie 19 lat, a Victor 17 w momencie ich odkrycia”.

Współautorami artykułu są absolwenci Rice Jacob Beckham i Weiyin Chen, badacz z tytułem doktora Bing Deng, absolwent Duy Luong i naukowiec Carter Kittrell. Tour jest Katedrą Chemii TT i WF Chao, a także profesorem informatyki oraz materiałoznawstwa i nanoinżynierii.