Will Dickinson se enfrentaba a un enigma.

Quería estudiar hojas de grafeno y tenía algunos de los instrumentos de laboratorio más sensibles del mundo a su disposición. Su problema era este:las láminas de grafeno son, según los estándares diarios, cosas pequeñitas; uno grande tiene solo unas pocas micras de diámetro.

Su instrumento de referencia para el análisis de materiales es el microscopio de fuerza atómica (AFM). Pero el trabajo de AFM es lento y costoso y Dickinson necesitaba examinar muchas hojas.

Entonces Dickinson, un doctorado estudiante que trabaja con Hannes Schniepp en el Departamento de Ciencias Aplicadas de William &Mary, ideó una técnica ingeniosa para examinar láminas de grafeno de forma rápida y económica.

Schniepp, la Profesora Asociada Distinguida Adina Allen Term, dice que el descubrimiento del laboratorio es un gran paso hacia la producción masiva de productos de grafeno de grado de consumo. Su investigación fue financiada por la National Science Foundation. La nueva técnica se describe en "Caracterización óptica de espesor y tamaño de alto rendimiento de materiales 2-D, "publicado con colaboradores de la Universidad de Connecticut en la revista Royal Society of Chemistry Nanoescala .

Grafeno Schniepp explicó, tiene un potencial virtualmente ilimitado como material del futuro. Como un diamante el grafeno es un alótropo del carbono. Marcó algunas de las virtudes del alótropo de carbono.

"Es el material más fuerte del planeta. Es uno de los materiales más rígidos. Tiene una conductividad eléctrica asombrosa, " él dijo.

Schniepp agregó que la materia prima del grafeno es el grafito, "que es literalmente muy barato". Los científicos han estado haciendo láminas de grafeno de un solo átomo de espesor, pero ensamblando lo suficientemente pequeño, Las láminas de grafeno a nanoescala para fabricar el fuselaje de un avión, o incluso un semiconductor, plantean algunos desafíos.

"De estas hojas realmente pequeñas, para llegar a un televisor, o una celda solar, o una bicicleta, bueno, necesitas muchas sábanas, "Dijo Schniepp." Entonces, En primer lugar, debe idear una técnica para producir muchos de ellos. Estamos progresando con eso ".

En efecto, el grafeno está comenzando a encontrar su camino en los productos de consumo:Dickinson tiene un par de auriculares con membranas de grafeno y Schniepp dice que los productos más grandes, como los marcos de raqueta de tenis, están a unos cinco años de llegar al mercado.

Uno de los aspectos necesarios para la producción masiva de grafeno es el control de calidad. Ahí es donde ayudará la contribución de Schniepp y Dickinson. El grafeno se produce al dispersar la materia prima en un baño de ultrasonido fuerte y luego depositarla sobre un sustrato.

Las láminas de grafeno producidas pueden tener un grosor de una sola capa, o más. Y la cantidad de capas importa Dijo Schniepp.

"Las propiedades de estas hojas son todas diferentes, ", dijo." Si pasas de uno a dos, hay una gran diferencia en las propiedades de las hojas ".

Schniepp y Dickinson necesitaban una forma de alto rendimiento para examinar el grosor de las hojas. Los microscopios electrónicos pueden hacer el trabajo, pero la producción de grafeno en cualquier cosa que se acerque a una escala industrial requerirá un análisis que sea relativamente rápido e idealmente no requiera instrumentos multimillonarios.

Decidieron probar la microscopía óptica, usando un microscopio de calidad decente, "Uno que encontraría en casi todos los laboratorios de investigación, o incluso en los laboratorios de enseñanza, aquí en William &Mary, ", Dijo Schniepp. Los visores ópticos tienen un uso mínimo en aplicaciones de nanotecnología, que requieren mayor resolución.

"Cuando hablas de grafeno, porque las sábanas son increíblemente delgadas, casi no dan contraste óptico. La luz los atraviesa por completo. Entonces, si solo los miras a través de un microscopio, casi no hay contraste, "Explicó Schniepp.

Dickinson se sintió frustrado al tratar de mirar grandes hojas de grafeno utilizando microscopía de fuerza atómica. AFM trabaja con objetos que son, a lo sumo, alrededor de 100 micrones de lado, y las muestras que tenía eran varias veces más grandes.

"Entonces, Yo estaba pensando, No puedo usar el AFM. Tal vez pueda mirarlos con el microscopio óptico, y sacar algo de eso, ", Dijo Dickinson." Necesito algo, "pensó para sí mismo." Porque no tener nada en este momento no hace feliz a nadie ".

Puso algunas láminas de grafeno debajo de la lente del alcance óptico y vio lo que un gran número de ingenieros y científicos habían visto antes:"Se podían ver las diferentes capas, pero la imagen no es lo suficientemente buena ".

Dickinson comenzó a jugar con el proceso, refinándolo paso a paso. Por ejemplo, Hizo una imagen del sustrato desnudo sobre el que se asienta el grafeno. Entonces podría trabajar en una forma de restar ese trasfondo.

"Eso me da algo mejor, ", Dijo Dickinson. Comenzó a trabajar con un histograma de su imagen, al igual que un editor de fotos corrige una imagen en Photoshop. Lo acercó al resultado deseado, pero no lo suficientemente cerca.

Dickinson comenzó a pensar en el extenso componente de procesamiento de imágenes basado en software de la microscopía de fuerza atómica. ¿Qué pasaría si tomara una imagen de grafeno de su microscopio óptico y la pasara por un régimen de procesamiento AFM? Valió la pena el intento, el pensó.

"Entonces, Exporto esta imagen óptica a un archivo de texto y la importo, como de lado, en el software AFM y utilizar esas técnicas, "Dijo Dickinson." De repente, ¡Podría ver mucho aquí! "

Trabajó para perfeccionar la técnica. Dickinson dijo que todavía no estaba seguro de lo que había logrado hasta que él y Schniepp le demostraron el proceso a Douglas Adamson. colaborador de la Universidad de Connecticut.

"Cuando se lo mostramos al profesor Adamson, él dijo, 'Esto es muy genial. ¡Nadie ha hecho esto antes! Es algo útil '", Recordó Dickinson.

El respaldo adicional llegó en las conferencias, donde su cartel atrajo a un grupo de ingenieros y científicos constantemente entusiasmados. "¡Estábamos abrumados!" Dijo Schniepp.

No es de extrañar que su cartel haya atraído tanta atención. Schniepp estimó que su técnica es 10 veces menos costosa y al menos 100 veces más rápida que las técnicas de inspección con grafeno que se utilizan actualmente. Es un gran paso hacia la producción en masa de la sustancia y Schniepp le da la mayor parte del crédito a Dickinson.

"La mayor parte fue parte de Will. Creo que este periódico no existiría sin él, ", Dijo Schniepp." No es una situación en la que tuve la idea y luego le aconsejé que lo hiciera. Él fue quien se dio cuenta del potencial que hay allí y tuvo la paciencia y la persistencia para perfeccionar la técnica ... eso es todo Will ".