Ny teknologi udvinder potentiale for at identificere kvalitetsgrafen billigere og hurtigere

Ingeniører ved Australiens Monash University har udviklet verdensførste teknologi, der kan hjælpe industrien med at identificere og eksportere højkvalitets grafen billigere, hurtigere og mere præcist end nuværende metoder.

Udgivet i dag i internationalt tidsskrift Avanceret Videnskab , forskere brugte datasættet fra et optisk mikroskop til at udvikle en maskinlæringsalgoritme, der kan karakterisere grafenegenskaber og kvalitet, uden partiskhed, inden for 14 minutter.

Denne teknologi er en game changer for hundredvis af grafen- eller grafenoxidproducenter globalt. Det vil hjælpe dem med at øge kvaliteten og pålideligheden af ​​deres grafenforsyning på hurtig tid.

I øjeblikket, producenter kan først opdage kvaliteten og egenskaberne af grafen, der bruges i et produkt, efter at det er blevet fremstillet.

Gennem denne algoritme, som har potentiale til at blive udrullet globalt med kommerciel støtte, grafenproducenter kan være sikre på kvalitetsprodukt og fjerne den tidskrævende og omkostningskrævende proces af en række karakteriseringsteknikker for at identificere grafenegenskaber, såsom tykkelsen og størrelsen af ​​atomlagene.

Professor Mainak Majumder fra Monash University's Department of Mechanical and Aerospace Engineering og Australian Research Council's Hub on Graphene Enabled Industry Transformation ledede denne banebrydende undersøgelse.

Studiets medforfattere er Md. Joynul Abedin og Dr. Mahdokht Shaibani (Monash, Institut for Mekanik og Luftfartsteknik), og Titon Barua (Vimmaniac Ltd., Bangladesh).

"Graphene besidder ekstraordinær kapacitet til elektrisk og termisk ledningsevne. Det er meget udbredt i produktionen af ​​membraner til vandrensning, energilagring og i smart teknologi, såsom vægtbelastningssensorer på trafikbroer, " sagde professor Majumder.

"På samme tid, grafen er ret dyrt, når det kommer til brug i bulkmængder. Et gram grafen af ​​høj kvalitet kunne koste så meget som $1, 000 AUD ($720 USD) en stor procentdel af det skyldes den dyre kvalitetskontrolproces.

"Derfor, producenter skal være sikre på, at de køber den højeste kvalitet af grafen på markedet. Vores teknologi kan detektere egenskaberne af grafen på under 14 minutter for et enkelt datasæt med en opløsning på 1936 x 1216. Dette vil spare producenterne for vigtig tid og penge, og etablere en konkurrencefordel på en voksende markedsplads."

Opdaget i 2004, grafen er udråbt som et vidundermateriale for sin enestående letvægt, tynde og ultrafleksible egenskaber. Grafen fremstilles ved eksfoliering af grafit. grafit, en krystallinsk form af kulstof med atomer arrangeret hexagonalt, omfatter mange lag af grafen.

Imidlertid, oversættelsen af ​​dette potentiale til virkelige og brugbare produkter har været langsom. En af grundene er manglen på pålidelighed og konsistens af det, der kommercielt ofte er tilgængeligt som grafen.

Den mest udbredte metode til fremstilling af grafen- og grafenoxidplader er gennem flydende faseeksfoliering (LPE). I denne proces, enkeltlagsarkene fjernes fra dets 3D-modstykke såsom grafit, grafitoxidfilm eller ekspanderet grafit ved forskydningskræfter.

Men, dette kan kun afbildes ved hjælp af en tør prøve (dvs. når grafenen er blevet coatet på et objektglas).

"Selvom der har været stor vægt på standardiseringsretningslinjer for grafenmaterialer, der er praktisk talt ingen måde at overvåge den grundlæggende enhedsproces af eksfoliering, produktkvalitet varierer fra laboratorium til laboratorium og fra en producent til en anden, " sagde Dr. Shaibani.

"Som resultat, der observeres ofte uoverensstemmelser i de rapporterede egenskabsydelseskarakteristika, selvom materialet hævdes at være grafen.

"Vores arbejde kan være af betydning for industrier, der er interesserede i at levere grafen af ​​høj kvalitet til deres kunder med pålidelig funktionalitet og egenskaber. Der er en række ASX-børsnoterede virksomheder, der forsøger at komme ind på dette milliard-dollar marked, og denne teknologi kan accelerere denne interesse."

Forskere anvendte algoritmen på et udvalg af 18 grafenprøver - hvoraf otte blev erhvervet fra kommercielle kilder og resten produceret i et laboratorium under kontrollerede behandlingsforhold.

Ved hjælp af et kvantitativt polariseret optisk mikroskop, forskere identificerede en teknik til at opdage, klassificering og kvantificering af eksfolieret grafen i sin naturlige form af en dispersion.

For at maksimere den information, der genereres fra hundredvis af billeder og et stort antal prøver på en hurtig og effektiv måde, forskere udviklede en uovervåget maskinlæringsalgoritme til at identificere dataklynger af lignende karakter, og brug derefter billedanalyse til at kvantificere proportionerne af hver klynge.

Hr. Abedin sagde, at denne metode har potentialet til at blive brugt til klassificering og kvantificering af andre todimensionelle materialer.

"Muligheden af ​​vores tilgang til at klassificere stabling på sub-nanometer til mikrometer skala og måle størrelsen, tykkelse, og koncentration af eksfoliering i generiske dispersioner af grafen/grafenoxid er spændende og lover enestående for udviklingen af ​​energi og termisk avancerede produkter, " sagde hr. Abedin.

Professor Dusan Losic, Direktør for Australian Research Council's Hub on Graphene Enabled Industry Transformation, sagde:"Disse enestående resultater fra vores ARC Research Hub vil have en betydelig indvirkning på den fremvoksende multimilliard-dollar grafenindustri, hvilket giver grafenproducenter og nye slutbrugere et simpelt kvalitetskontrolværktøj til at definere kvaliteten af ​​deres producerede grafenmaterialer, som i øjeblikket mangler."