Cuando el grafeno habla, los científicos ahora pueden escuchar

Investigadores de la Universidad de Rice han descubierto que el sonido se puede utilizar para analizar las propiedades del grafeno inducido por láser en tiempo real. La técnica podría ser útil para la caracterización de materiales en una amplia gama de procesos de ingeniería y fabricación. Crédito:Brandon Martin/Universidad Rice

Puede que sea cierto que ver es creer, pero a veces escuchar puede ser mejor.

Caso en cuestión:dos hermanos en un laboratorio de la Universidad de Rice escucharon algo inusual mientras hacían grafeno. Finalmente, determinaron que el sonido en sí podría brindarles información valiosa sobre el producto.

Los hermanos, John Li, un ex alumno de Rice que ahora estudia en la Universidad de Stanford, y Victor Li, entonces estudiante de secundaria en Nueva York y ahora estudiante de primer año en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, son coautores principales de un artículo que describe el verdadero -Análisis temporal de la producción de grafeno inducido por láser (LIG) a través del sonido.

Los hermanos estaban trabajando en el laboratorio del químico James Tour de Rice cuando se les ocurrió su hipótesis y la presentaron en una reunión de grupo.

"El profesor Tour dijo:'Es interesante' y nos dijo que lo siguiéramos como un proyecto potencial", recordó John Li.

Los resultados, que aparecen en Advanced Functional Materials , describen un esquema simple de procesamiento de señales acústicas que analiza LIG en tiempo real para determinar su forma y calidad.

LIG, presentado por el laboratorio Tour en 2014, crea capas de láminas de grafeno interconectadas calentando la parte superior de una delgada lámina de polímero a 2500 grados Celsius (4532 grados Fahrenheit), dejando solo átomos de carbono. Desde entonces, la técnica se ha aplicado para fabricar grafeno a partir de otras materias primas, incluso alimentos.

Alex Lathem, un estudiante graduado de física aplicada en la Universidad de Rice, prepara una muestra para el láser. El laboratorio está utilizando sonido para analizar la síntesis de grafeno inducido por láser en tiempo real. Crédito:Brandon Martin/Universidad Rice

"Bajo diferentes condiciones, escuchamos diferentes sonidos porque están ocurriendo diferentes procesos", dijo John. "Entonces, si escuchamos variaciones durante la síntesis, podríamos detectar la formación de diferentes materiales".

Dijo que el análisis de audio permite "capacidades de control de calidad mucho mayores que son órdenes de magnitud más rápidas que la caracterización del grafeno inducido por láser mediante técnicas de microscopía".

"En el análisis de materiales, a menudo hay compensaciones entre costo, velocidad, escalabilidad, exactitud y precisión, especialmente en términos de cuánto material puede procesar sistemáticamente", dijo John. "Lo que tenemos aquí nos permite escalar eficientemente el rendimiento de nuestras capacidades analíticas a la cantidad total de material que estamos tratando de sintetizar de manera sólida".

John invitó a su hermano menor a Houston, sabiendo que su experiencia sería una ventaja en el laboratorio. "Tenemos conjuntos de habilidades complementarias casi por diseño, donde evito especializarme en las cosas que él conoce muy bien y, de la misma manera, evita áreas que conozco muy bien", dijo. "Entonces formamos un equipo muy sólido.

"Básicamente, hice la conexión de que los sonidos correctos corresponden al producto correcto, y él hizo la conexión de que los diferentes sonidos correspondían a diferentes productos", dijo. "Además, él es mucho más fuerte que yo en ciertas técnicas computacionales, mientras que yo soy principalmente un experimentador".

Un pequeño micrófono de Amazon de $ 31 pegado al cabezal del láser y conectado a un teléfono celular dentro del gabinete del láser capta el audio para su análisis.

"Los hermanos convirtieron el patrón de sonido a través de una técnica matemática llamada transformada rápida de Fourier, para que pudieran obtener datos numéricos de los datos de sonido", dijo Tour. "A través de algunos cálculos matemáticos, esos datos pueden ser una herramienta analítica casi instantánea para evaluar el tipo y la pureza del producto".

John Li dijo que los sonidos emitidos "proporcionan información sobre la relajación de la entrada de energía cuando el láser golpea la muestra y se absorbe, transmite, dispersa, refleja o, en general, se convierte en diferentes tipos de energía. Eso nos permite obtener información local sobre propiedades de la microestructura, la morfología y las características a nanoescala del grafeno".

Tour sigue impresionado por su ingenio.

"Lo que se les ocurrió a estos hermanos es increíble", dijo. "Oyen los sonidos de la síntesis a medida que se realiza y, a partir de ahí, pueden determinar el tipo y la calidad del producto casi instantáneamente. Este podría ser un enfoque importante durante la síntesis para guiar los parámetros de fabricación".

Dijo que el análisis de sonido podría contribuir a una serie de procesos de fabricación, incluido el calentamiento Joule flash de su propio laboratorio, un método para fabricar grafeno y otros materiales a partir de productos de desecho, así como la sinterización, ingeniería de fase, ingeniería de deformación, deposición de vapor químico, combustión, recocido, corte por láser, evolución de gas, destilación y más.

"Entre la experiencia experimental de John y el talento matemático de Victor, el equipo familiar es formidable", dijo Tour. "Mi mayor alegría es proporcionar una atmósfera en la que las mentes jóvenes puedan crear y florecer y, en este caso, demostraron una experiencia mucho más allá de sus años, John tenía solo 19 años y Victor 17 en el momento de su descubrimiento".

Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Jacob Beckham y Weiyin Chen, el investigador postdoctoral Bing Deng, el ex alumno Duy Luong y el científico investigador Carter Kittrell. Tour es el T.T. y W.F. Chao Catedrático de Química, así como profesor de informática y de ciencia de materiales y nanoingeniería. + Explora más