décembre 8, 2022

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Quand le graphène parle, les scientifiques peuvent désormais écouter

Des chercheurs de l’Université Rice ont découvert que le son peut être utilisé pour analyser en temps réel les propriétés du graphène induit par laser. La technique pourrait être utile pour la caractérisation des matériaux dans un large éventail de processus d’ingénierie et de fabrication. Crédit : Brandon Martin/Rice University

Il est peut-être vrai que voir c’est croire, mais parfois entendre peut être meilleur.


Exemple : Deux frères dans un laboratoire de l’Université Rice ont entendu quelque chose d’inhabituel en faisant graphène. En fin de compte, ils ont déterminé que le son eux-mêmes pouvait leur fournir des données précieuses sur le produit.

Les frères, John Li, un ancien élève de Rice qui étudie maintenant à l’Université de Stanford, et Victor Li, alors lycéen à New York et maintenant étudiant de première année au Massachusetts Institute of Technology, sont co-auteurs principaux d’un article qui décrit le véritable -analyse temporelle de la production de graphène induit par laser (LIG) à travers le son.

Les frères travaillaient dans le laboratoire du chimiste de Rice James Tour lorsqu’ils ont proposé leur hypothèse et l’ont présentée lors d’une réunion de groupe.

« Le professeur Tour a dit : « C’est intéressant » et nous a dit de le poursuivre comme un projet potentiel », se souvient John Li.

Les résultats, qui apparaissent dans Matériaux fonctionnels avancés, décrivent un schéma simple de traitement du signal acoustique qui analyse LIG en temps réel pour déterminer sa forme et sa qualité.

LIG, introduit par le laboratoire Tour en 2014, fabrique des couches de feuilles de graphène interconnectées en chauffant le dessus d’une fine feuille de polymère à 2 500 degrés Celsius (4 532 degrés Fahrenheit), ne laissant que des atomes de carbone. La technique a depuis été appliquée à la fabrication de graphène à partir d’autres matières premières, même alimentaires.

Quand le graphène parle, les scientifiques peuvent désormais écouter

Alex Lathem, étudiant diplômé en physique appliquée à l’Université Rice, prépare un échantillon pour le laser. Le laboratoire utilise le son pour analyser en temps réel la synthèse du graphène induit par laser. Crédit : Brandon Martin/Rice University

« Dans des conditions différentes, nous entendons différents sons parce que différents processus se produisent », a déclaré John. « Donc, si nous entendons des variations pendant la synthèse, nous serions en mesure de détecter différents matériaux en cours de formation.

Il a déclaré que l’analyse audio permet « des capacités de contrôle de qualité bien supérieures qui sont des ordres de grandeur plus rapides que la caractérisation du graphène induit par laser par des techniques de microscopie.

« Dans l’analyse des matériaux, il existe souvent des compromis entre le coût, la vitesse, l’évolutivité, l’exactitude et la précision, en particulier en termes de quantité de matériau que vous pouvez traiter systématiquement », a déclaré John. « Ce que nous avons ici nous permet d’adapter efficacement le débit de nos capacités analytiques à la quantité totale de matériel que nous essayons de synthétiser de manière robuste. »

John a invité son jeune frère à Houston, sachant que son expertise serait un plus dans le laboratoire. « Nous avons des ensembles de compétences complémentaires presque par conception, où j’évite de me spécialiser dans les choses qu’il connaît très bien, et de même, il évite les domaines que je connais très bien », a-t-il déclaré. « Nous formons donc une équipe très solide.

« En gros, j’ai fait le lien que les bons sons correspondent au bon produit, et il a fait le lien que les différents sons correspondaient à différents produits », a-t-il déclaré. « De plus, il est beaucoup plus fort que moi dans certaines techniques de calcul, alors que je suis avant tout un expérimentateur. »

Un petit microphone d’Amazon à 31 $ scotché à la tête laser et attaché à un téléphone portable à l’intérieur de l’armoire laser capte l’audio pour analyse.

« Les frères ont converti le motif sonore à travers un technique mathématique appelé une transformée de Fourier rapide, afin qu’ils puissent obtenir des données numériques à partir des données sonores « , a déclaré Tour. « Grâce à certains calculs mathématiques, ces données peuvent être un outil analytique quasi instantané pour évaluer le type et la pureté du produit. »

John Li a déclaré que les sons émis « fournissent des informations sur la relaxation de l’apport d’énergie lorsque le laser frappe l’échantillon et est absorbé, transmis, diffusé, réfléchi ou tout simplement converti en différents types d’énergie. Cela nous permet d’obtenir des informations locales sur propriétés de la microstructure, de la morphologie et des caractéristiques à l’échelle nanométrique du graphène. »

Tour reste impressionné par leur ingéniosité.

« Ce que ces frères ont trouvé est incroyable », a-t-il déclaré. « Ils entendent les sons de la synthèse au fur et à mesure de son exécution, et à partir de là, ils peuvent déterminer le type et la qualité du produit presque instantanément. Cela pourrait être une approche importante pendant la synthèse pour guider les paramètres de fabrication. »

Il a déclaré que l’analyse sonore pourrait contribuer à un certain nombre de processus de fabrication, y compris le chauffage flash Joule de son propre laboratoire, une méthode pour fabriquer du graphène et d’autres matériaux à partir de déchets, ainsi que le frittage, l’ingénierie de phase, l’ingénierie de déformation, le dépôt chimique en phase vapeur, la combustion, Recuit, découpe laser, dégagement de gaz, distillation et plus encore.

« Entre l’expertise expérimentale de John et le talent mathématique de Victor, l’équipe familiale est formidable », a déclaré Tour. « Ma plus grande joie est d’offrir une atmosphère où jeunes esprits peuvent créer et s’épanouir, et dans ce cas, ils ont démontré une expertise bien au-delà de leurs années, John n’ayant que 19 ans et Victor 17 au moment de leur découverte. »

Les co-auteurs de l’article sont les étudiants diplômés de Rice Jacob Beckham et Weiyin Chen, le chercheur postdoctoral Bing Deng, l’ancien Duy Luong et le chercheur Carter Kittrell. Tour est titulaire de la chaire TT et WF Chao en chimie ainsi que professeur d’informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie.


L’équipe utilise un processus de graphène induit par laser pour créer des motifs à l’échelle du micron dans la résine photosensible


Plus d’information:
Victor D. Li et al, Sounds of Synthesis : Analyse acoustique en temps réel du graphène induit par laser, Matériaux fonctionnels avancés (2022). DOI : 10.1002/adfm.202110198

Citation: Quand le graphène parle, les scientifiques peuvent maintenant écouter (19 janvier 2022) récupéré le 20 janvier 2022 sur https://phys.org/news/2022-01-graphene-scientists.html

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