Wanneer wetenschappers grafeen maken door een voorlopermateriaal met een laser te verwarmen, analyseren ze meestal de vorm en kwaliteit van het eindproduct met behulp van technieken zoals Raman-spectroscopie of elektronenmicroscopie. Een team van de Rice University in de VS heeft nu een volledig nieuw alternatief voorgesteld: luisteren naar de geluiden die worden geproduceerd terwijl dit lasergeïnduceerde grafeen groeit.
De nieuwe techniek ontstond toen twee studenten binnenkwamen James tourJohn Li en Victor Li, in Rice, kwamen op het idee om een microfoon van $ 31 aan de laserschrijfkop te bevestigen. Na het opnemen van de geluiden die het grafeen maakte terwijl het groeide, zette het paar, die broers zijn en destijds slechts 19 en 17 jaar oud waren, deze geluiden om in spectrogrammen en gebruikten ze een eenvoudige signaalverwerkingstechniek die bekend staat als een snelle Fourier-transformatie om de patronen om te zetten. in interpreteerbare signalen. Dankzij deze techniek konden leden van het team de eigenschappen van hun lasergeïnduceerde grafeen in realtime analyseren - een aanzienlijk voordeel ten opzichte van conventionele methoden.
Onderling verbonden grafeenplaten
Grafeen is een tweedimensionale vorm van koolstof van slechts één atoom dik. Bij de laser-geïnduceerde methode om het te laten groeien, vormen zich lagen van onderling verbonden grafeenvellen wanneer een laser het oppervlak van een dunne polymeerfilm verwarmt tot 2500 ° C. De intense hitte zorgt ervoor dat andere componenten van het polymeer verdampen, waardoor alleen de koolstofatomen achterblijven. De methode, ontwikkeld in 2014 door Tour en collega's van Rice, kan ook worden gebruikt om grafeen te maken van andere voorlopers, waaronder voedsel.
Normaal gesproken beoordelen onderzoekers de kwaliteit en morfologie van dit type grafeen door er Raman-spectroscopie en elektronenmicroscopie op uit te voeren nadat de synthese is voltooid. Deze metingen hebben echter een lage doorvoer en kunnen niet worden gebruikt om het materiaal in realtime te analyseren. Ze geven ook alleen informatie over het relatief kleine gebied van het lasergeïnduceerde grafeen dat ze bemonsteren, wat betekent dat sommige producten aan detectie kunnen ontsnappen.
Verschillende geluiden van verschillende processen
De nieuwe op geluid gebaseerde techniek levert daarentegen een realtime kwaliteitsbeoordeling van het gehele grafeenoppervlak op. Om het te testen, creëerden de Rice-onderzoekers lasergeïnduceerd grafeen door een industriële polyimidefilm te beschrijven met een commerciële 10.6 micron CO2 laser. Naast het opnemen van geluid, gebruikten ze ook een camera om de vorming van door laser geïnduceerd grafeen te observeren, wat gepaard gaat met een zichtbare zwarting van het geconverteerde oppervlak.
De verschillende geluiden die ze hebben opgenomen, zijn afkomstig van verschillende processen die plaatsvinden tijdens de groei, legt John Li uit, die nu een PhD-student is aan de Stanford University (zijn broer Victor is nu een student aan het Massachusetts Institute of Technology). De geluiden die het grafeen uitstraalt "geven informatie over de relaxatie van de energie-invoer wanneer de laser het monster raakt en wordt geabsorbeerd, uitgezonden, verstrooid, gereflecteerd of gewoon in het algemeen omgezet in verschillende soorten energie", zegt hij. Variaties in deze signalen tijdens de synthese, voegt hij eraan toe, geven aan dat er verschillende producten worden gevormd.
De audio-analysetechniek geeft de onderzoekers een veel groter vermogen om de kwaliteit van het grafeen te controleren terwijl het zich vormt. Leden van het Rice-team zeggen dat een vergelijkbare methode kan worden toegepast op andere productieprocessen, waaronder plasmaspuiten en reinigen, sinteren, kogelmalen, fase- en spanningstechniek, chemische dampafzetting, verbranding, gloeien, afschrikken, lasersnijden en de flash Joule-verwarmingsmethode die ook door de groep van Tour is ontwikkeld.
Het team, dat zijn werk rapporteert in Geavanceerde functionele materialen, is nu van plan om manieren te onderzoeken om de akoestische analysetechniek uit te breiden tot sommige van deze processen. "We hopen ook nieuwe algoritmen te ontwikkelen om geluiden te analyseren en informatie die door geluid is verkregen te combineren met andere technieken die complementaire signalen leveren", vertelt John Li. Natuurkunde wereld.
De post Luisteren naar grafeen levert aanwijzingen op voor de structuur ervan verscheen eerst op Natuurkunde wereld.