Will Dickinson stond voor een raadsel.

Hij wilde vellen grafeen bestuderen en had enkele van 's werelds meest gevoelige laboratoriuminstrumenten tot zijn beschikking. Zijn probleem was dit:grafeenplaten zijn, naar alledaagse maatstaven, piepkleine dingen; een grote is slechts een paar micron in diameter.

Zijn go-to-instrument voor materiaalanalyse is de atomic force microscope (AFM). Maar het AFM-werk is traag en duur en Dickinson moest een heleboel bladen bekijken.

Dus Dickinson, een doctoraat student die werkt met Hannes Schniepp in William &Mary's Department of Applied Science, bedacht een ingenieuze techniek om grafeenplaten snel en goedkoop te onderzoeken.

Schniepp, de Adina Allen Term Distinguished Associate Professor, zegt dat de ontdekking van het laboratorium een ​​grote stap is in de richting van massaproductie van grafeenproducten van consumentenkwaliteit. Hun onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation. De nieuwe techniek wordt beschreven in "High-throughput optische dikte en groottekarakterisering van 2D-materialen, " gepubliceerd met medewerkers van de Universiteit van Connecticut in het tijdschrift Royal Society of Chemistry nanoschaal .

grafeen, Schniepp legde uit, heeft een vrijwel onbeperkt potentieel als materiaal van de toekomst. als diamant, grafeen is een allotroop van koolstof. Hij tikte een paar van de deugden van de koolstofallotroop aan.

"Het is het sterkste materiaal ter wereld. Het is een van de stijfste materialen. Het heeft een verbazingwekkende elektrische geleidbaarheid, " hij zei.

Schniepp voegde eraan toe dat de grondstof van grafeen grafiet is, "wat letterlijk spotgoedkoop is." Wetenschappers hebben vellen grafeen van een enkel atoom dik gemaakt, maar monteren genoeg klein, grafeenplaten op nanoschaal om een ​​vliegtuigromp - of zelfs een halfgeleider - te maken, brengt enkele uitdagingen met zich mee.

"Van deze echt kleine vellen, om naar een tv te gaan, of een zonnecel, of een fiets - nou ja, je hebt veel lakens nodig, "Zei Schniepp. "Dus, allereerst moet je een techniek bedenken om er veel van te maken. Daar maken we vorderingen mee."

Inderdaad, grafeen begint zijn weg te vinden naar consumentenproducten - Dickinson heeft een koptelefoon met grafeenmembranen en Schniepp zegt dat grotere producten, zoals tennisracketframes, zijn ongeveer vijf jaar verwijderd van het bereiken van de markt.

Een van de noodzakelijke aspecten voor massaproductie van grafeen is kwaliteitscontrole. Dat is waar de bijdrage van Schniepp en Dickinson zal helpen. Grafeen maak je door je grondstof in een sterk ultrasoonbad te dispergeren en vervolgens op een substraat te deponeren.

De geproduceerde vellen grafeen kunnen een enkele laag dik zijn - of meer. En het aantal lagen is belangrijk, aldus Schniepp.

"De eigenschappen van deze platen zijn allemaal verschillend, "zei hij. "Als je van één naar twee gaat, er zit nogal een verschil in de eigenschappen van de platen."

Schniepp en Dickinson hadden een high-throughput manier nodig om de dikte van de platen te onderzoeken. Elektronenmicroscopen kunnen het werk doen, maar de productie van grafeen op iets dat industriële schaal benadert, zal een analyse vereisen die relatief snel is en idealiter geen instrumenten van miljoenen dollars vereist.

Ze besloten optische microscopie te proberen, met behulp van een degelijke microscoop, "Eentje die je zou vinden in bijna elk onderzoekslab - of zelfs onderwijslab - hier bij William &Mary, " zei Schniepp. Optische scopes worden minimaal gebruikt in nanotechnologietoepassingen, die een hogere resolutie vereisen.

"Als je het over grafeen hebt, omdat de lakens zo ongelooflijk dun zijn, ze geven bijna geen optisch contrast. Het licht gaat er volledig doorheen. Dus, als je ze gewoon door een microscoop bekijkt, er is bijna geen contrast, ’ legde Schniepp uit.

Dickinson was gefrustreerd toen hij probeerde naar grote grafeenplaten te kijken met behulp van atoomkrachtmicroscopie. AFM werkt met objecten die, hoogstens, ongeveer 100 micron aan een kant, en de monsters die hij had waren meerdere keren zo groot.

"Dus, Ik dacht, Ik kan de AFM niet gebruiken. Misschien kan ik ze bekijken met de optische microscoop, en haal er wat uit, " zei Dickinson. "Ik heb iets nodig, ' dacht hij bij zichzelf. 'Omdat nu niets hebben niemand gelukkig maakt.'

Hij legde wat grafeenvellen onder de optische 'scope lens' en zag wat een groot aantal ingenieurs en wetenschappers eerder hadden gezien:"Je kon de verschillende lagen zien, maar het beeld is gewoon niet goed genoeg."

Dickinson begon te sleutelen aan het proces, stap voor stap verfijnen. Bijvoorbeeld, hij maakte een afbeelding van het kale substraat waarop het grafeen zit. Dan zou hij kunnen werken aan een manier om die achtergrond af te trekken.

"Dat geeft me iets beters, " zei Dickinson. Hij begon te werken met een histogram van zijn afbeelding, net zoals een foto-editor een foto corrigeert in Photoshop. Het bracht hem dichter bij een gewenst resultaat, maar niet dichtbij genoeg.

Dickinson begon na te denken over de uitgebreide op software gebaseerde beeldverwerkingscomponent van atomaire krachtmicroscopie. Wat zou er gebeuren als hij een grafeenbeeld van zijn optische microscoop zou nemen en het door een AFM-verwerkingsregime zou laten lopen? Het was een poging waard, hij dacht.

"Dus, Ik exporteer deze optische afbeelding naar een tekstbestand en importeer het, zoals zijwaarts, in AFM-software en gebruik die technieken, ' zei Dickinson. 'Plotseling, Ik kon hier veel zien!"

Hij werkte om de techniek te verfijnen. Dickinson zei dat hij nog steeds niet zeker wist wat hij had bereikt totdat hij en Schniepp het proces aan Douglas Adamson demonstreerden, een medewerker aan de Universiteit van Connecticut.

"Toen we het aan professor Adamson lieten zien, hij zei, 'Dit is erg cool. Niemand heeft dit eerder gedaan! Het is een handig ding, '", herinnert Dickinson zich.

Extra steun kwam op conferenties, waar hun poster een consequent opgewonden groep ingenieurs en wetenschappers aantrok. "We werden overspoeld!" aldus Schniepp.

Het is geen wonder dat hun poster zoveel aandacht trok. Schniepp schatte dat hun techniek 10 keer goedkoper en minstens 100 keer sneller is dan de grafeen-inspectietechnieken die nu in gebruik zijn. Het is een grote stap in de richting van massaproductie van de stof en Schniepp geeft het grootste deel van de eer aan Dickinson.

"Het meeste was Will's rol. Ik denk dat deze krant niet zou bestaan ​​zonder hem, "Zei Schniepp. "Het is niet een situatie waarin ik het idee had en hem toen adviseerde om dat te doen. Hij was degene die het potentieel dat er is besefte en het geduld en doorzettingsvermogen had om de techniek te perfectioneren... dat is alles wat Will is."