Når grafen taler, kan videnskabsmænd nu lytte

Det kan være rigtigt, at det at se er at tro, men nogle gange kan hørelsen være bedre.

Eksempel:To brødre i et Rice University-laboratorium hørte noget usædvanligt, mens de lavede grafen. I sidste ende fandt de ud af, at lyden i sig selv kunne give dem værdifulde data om produktet.

Brødrene, John Li, en Rice-alumne, der nu studerer ved Stanford University, og Victor Li, dengang en gymnasieelev i New York og nu en førsteårsstuderende ved Massachusetts Institute of Technology, er medforfattere af et papir, der beskriver den virkelige -tidsanalyse af laser-induceret grafen (LIG) produktion gennem lyd.

Brødrene arbejdede i Rice-kemikeren James Tours laboratorium, da de kom med deres hypotese og præsenterede den på et gruppemøde.

"Professor Tour sagde:"Det er interessant," og fortalte os, at vi skulle forfølge det som et potentielt projekt," huskede John Li.

Resultaterne, som vises i Avancerede funktionelle materialer , beskrive et simpelt akustisk signalbehandlingsskema, der analyserer LIG i realtid for at bestemme dets form og kvalitet.

LIG, introduceret af Tour-laboratoriet i 2014, laver lag af indbyrdes forbundne grafenplader ved at opvarme toppen af ​​en tynd polymerplade til 2.500 grader Celsius (4.532 grader Fahrenheit), hvilket kun efterlader kulstofatomer. Teknikken er siden blevet anvendt til fremstilling af grafen fra andre råvarer, endda fødevarer.

"Under forskellige forhold hører vi forskellige lyde, fordi forskellige processer forekommer," sagde John. "Så hvis vi hører variationer under syntesen, ville vi være i stand til at detektere forskellige materialer, der dannes."

Han sagde, at lydanalyse giver mulighed for "langt større kvalitetskontrolfunktioner, der er størrelsesordener hurtigere end karakterisering af laserinduceret grafen ved hjælp af mikroskopiteknikker.

"I materialeanalyse er der ofte afvejninger mellem omkostninger, hastighed, skalerbarhed, nøjagtighed og præcision, især med hensyn til hvor meget materiale du systematisk kan bearbejde," sagde John. "Det, vi har her, giver os mulighed for effektivt at skalere gennemløbet af vores analytiske evner til hele mængden af ​​materiale, vi forsøger at syntetisere på en robust måde."

John inviterede sin yngre bror til Houston, velvidende at hans ekspertise ville være et plus i laboratoriet. "Vi har næsten ved design komplementære færdigheder, hvor jeg undgår at specialisere mig i de ting, som han kan rigtig godt, og på samme måde undgår han områder, som jeg kender rigtig godt," sagde han. "Så vi udgør et meget solidt hold.

"Dybest set lavede jeg den forbindelse, at de rigtige lyde svarer til det rigtige produkt, og han gjorde den forbindelse, at de forskellige lyde svarede til forskellige produkter," sagde han. "Han er også meget stærkere end jeg til visse beregningsteknikker, hvorimod jeg primært er en eksperimentelist."

En lille, $31 mikrofon fra Amazon tapet til laserhovedet og fastgjort til en mobiltelefon inde i laserkabinettet opfanger lyden til analyse.

"Brødrene konverterede lydmønsteret gennem en matematisk teknik kaldet en Fast Fourier-transformation, så de kunne få numeriske data fra lyddataene," sagde Tour. "Gennem nogle matematiske beregninger kan disse data være et næsten øjeblikkeligt analytisk værktøj til at vurdere produkttypen og renheden."

John Li sagde, at de udsendte lyde "giver information om afslapningen af ​​energiinputtet, når laseren rammer prøven og bliver absorberet, transmitteret, spredt, reflekteret eller bare generelt omdannet til forskellige typer energi. Det giver os mulighed for at få lokal information om egenskaber ved grafenens mikrostruktur, morfologi og nanoskalaegenskaber."

Tour er stadig imponeret over deres opfindsomhed.

"Det, disse brødre fandt på, er fantastisk," sagde han. "De hører lyden af ​​syntese, mens den udføres, og ud fra det kan de bestemme produkttype og kvalitet næsten øjeblikkeligt. Dette kunne være en vigtig tilgang under syntese til at vejlede produktionsparametre."

Han sagde, at lydanalyse kunne bidrage til en række fremstillingsprocesser, herunder hans eget laboratoriums flash Joule-opvarmning, en metode til at fremstille grafen og andre materialer fra affaldsprodukter, såvel som sintring, fasekonstruktion, strain engineering, kemisk dampaflejring, forbrænding, udglødning, laserskæring, gasudvikling, destillation og mere.

"Mellem Johns eksperimentelle ekspertise og Victors matematiske talent er familieholdet formidabelt," sagde Tour. "Min største glæde er at skabe en atmosfære, hvor unge sind kan skabe og blomstre, og i dette tilfælde demonstrerede de ekspertise langt ud over deres år, John var kun 19 og Victor 17 på tidspunktet for deres opdagelse."

Medforfattere til papiret er Rice-kandidatstuderende Jacob Beckham og Weiyin Chen, postdoc-forsker Bing Deng, alumnus Duy Luong og forsker Carter Kittrell. Tour er T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datalogi og i materialevidenskab og nanoteknik. + Udforsk yderligere

Team bruger laser-induceret grafenproces til at skabe mikronskalamønstre i fotoresist