Когда графен говорит, ученые теперь могут слушать

Это может быть правдой, что увидеть значит поверить, но иногда лучше услышать.

Показательный пример: два брата в лаборатории Университета Райса услышали нечто необычное, создавая графен.

В конце концов они решили, что сам звук может дать им ценную информацию о продукте.

Братья, Джон Ли, выпускник Райс, сейчас учится в Стэнфордском университете, и Виктор Ли, тогда старшеклассник в Нью-Йорке, а ныне первокурсник Массачусетского технологического института, являются соавторами статьи, описывающей реальную – временной анализ лазерно-индуцированного производства графена (ЛИГ) с помощью звука.

Братья работали в лаборатории химика Райса Джеймса Тура, когда выдвинули свою гипотезу и представили ее на групповом собрании.

«Профессор Тур сказал: «Это интересно» и предложил нам заняться этим как потенциальным проектом, — вспоминает Джон Ли.

Результаты, представленные в Advanced Functional Materials, описывают простую схему обработки акустического сигнала, которая анализирует LIG в реальном времени для определения его формы и качества.

LIG, представленный лабораторией Tour в 2014 году, создает слои взаимосвязанных листов графена, нагревая верхнюю часть тонкого полимерного листа до 2500 градусов по Цельсию (4532 градуса по Фаренгейту), оставляя после себя только атомы углерода.

С тех пор этот метод применялся для получения графена из другого сырья, даже из продуктов питания.

«В разных условиях мы слышим разные звуки, потому что происходят разные процессы», — сказал Джон. «Поэтому, если мы услышим изменения во время синтеза, мы сможем обнаружить, что образуются разные материалы».

Он сказал, что аудиоанализ обеспечивает «гораздо более широкие возможности контроля качества, которые на несколько порядков быстрее, чем определение характеристик лазерно-индуцированного графена с помощью методов микроскопии.

«При анализе материалов часто приходится идти на компромисс между стоимостью, скоростью, масштабируемостью, точностью и точностью, особенно с точки зрения того, сколько материала вы можете систематически обрабатывать», — сказал Джон.

«То, что у нас есть, позволяет нам эффективно масштабировать пропускную способность наших аналитических возможностей на весь объем материала, который мы пытаемся надежно синтезировать».

Джон пригласил своего младшего брата в Хьюстон, зная, что его опыт будет плюсом в лаборатории. «У нас есть взаимодополняющие наборы навыков почти по замыслу, и я избегаю специализироваться на вещах, которые он знает очень хорошо, и точно так же он избегает областей, которые я очень хорошо знаю», — сказал он.

«Таким образом, мы формируем очень сплоченную команду.

«По сути, я установил связь, что правильные звуки соответствуют правильному продукту, а он установил связь, что разные звуки соответствуют разным продуктам», — сказал он. «Кроме того, он намного сильнее меня в некоторых вычислительных методах, тогда как я в первую очередь экспериментатор».

Небольшой микрофон за 31 доллар от Amazon, прикрепленный скотчем к лазерной головке и прикрепленный к мобильному телефону внутри лазерного шкафа, улавливает звук для анализа.

«Братья преобразовали звуковую картину с помощью математической техники, называемой быстрым преобразованием Фурье, чтобы они могли получить числовые данные из звуковых данных», — сказал Тур.

«Благодаря некоторым математическим вычислениям эти данные могут стать практически мгновенным аналитическим инструментом для оценки типа и чистоты продукта».

Джон Ли сказал, что издаваемые звуки «предоставляют информацию о релаксации входной энергии, когда лазер попадает на образец и поглощается, передается, рассеивается, отражается или просто преобразуется в различные типы энергии.

Это позволяет нам получать локальную информацию о свойствах микроструктуры графена, морфологии и наноразмерных характеристиках».

Тур по-прежнему впечатлен их изобретательностью.

«То, что придумали эти братья, просто потрясающе», — сказал он.

«Они слышат звуки синтеза во время его выполнения и могут почти мгновенно определить тип и качество продукта. Это может быть важным подходом во время синтеза для управления производственными параметрами».

Он сказал, что звуковой анализ может внести свой вклад в ряд производственных процессов, включая мгновенное Джоулево нагревание в его собственной лаборатории, метод получения графена и других материалов из отходов, а также спекание, фазовую инженерию, деформационную инженерию, химическое осаждение из паровой фазы, горение, отжиг, лазерная резка, выделение газа, дистилляция и многое другое.

«Благодаря экспериментальному опыту Джона и математическому таланту Виктора семейная команда выглядит внушительно, — сказал Тур.

«Моя самая большая радость — создать атмосферу, в которой молодые умы могут творить и процветать, и в этом случае они продемонстрировали опыт не по годам: Джону было всего 19, а Виктору 17 на момент их открытия».