Ingenieurs van de Monash University in Australië hebben technologie ontwikkeld die de industrie kan helpen om grafeen van hoge kwaliteit goedkoper te identificeren en te exporteren. sneller en nauwkeuriger dan de huidige methoden.

Vandaag gepubliceerd in internationaal tijdschrift Geavanceerde wetenschap , onderzoekers gebruikten de dataset van een optische microscoop om een ​​machine learning-algoritme te ontwikkelen dat de eigenschappen en kwaliteit van grafeen kan karakteriseren, zonder vooroordeel, binnen 14 minuten.

Deze technologie is een gamechanger voor honderden grafeen- of grafeenoxidefabrikanten wereldwijd. Het zal hen helpen de kwaliteit en betrouwbaarheid van hun grafeenvoorziening in korte tijd te verbeteren.

Momenteel, fabrikanten kunnen de kwaliteit en eigenschappen van grafeen dat in een product wordt gebruikt pas detecteren nadat het is vervaardigd.

Door dit algoritme, die het potentieel heeft om wereldwijd te worden uitgerold met commerciële ondersteuning, grafeenproducenten kunnen verzekerd zijn van kwaliteitsproducten en het tijdrovende en kostbare proces van een reeks karakteriseringstechnieken om grafeeneigenschappen te identificeren, verwijderen, zoals de dikte en grootte van de atomaire lagen.

Professor Mainak Majumder van het Department of Mechanical and Aerospace Engineering van de Monash University en de Hub on Graphene Enabled Industry Transformation van de Australian Research Council leidde deze baanbrekende studie.

Co-auteurs van de studie zijn Md. Joynul Abedin en Dr. Mahdokht Shaibani (Monash, Afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek), en Titon Barua (Vimmaniac Ltd., Bangladesh).

"Grafeen bezit een buitengewoon vermogen voor elektrische en thermische geleidbaarheid. Het wordt veel gebruikt bij de productie van membranen voor waterzuivering, energieopslag en in slimme technologie, zoals gewichtssensoren op verkeersbruggen, ' zei professor Majumder.

"Tegelijkertijd, grafeen is vrij duur als het gaat om gebruik in grote hoeveelheden. Eén gram grafeen van hoge kwaliteit kan wel $ 1 kosten, 000 AUD ($ 720 USD) een groot percentage daarvan is te wijten aan het kostbare kwaliteitscontroleproces.

"Daarom, fabrikanten moeten er zeker van zijn dat ze grafeen van de hoogste kwaliteit op de markt kopen. Onze technologie kan de eigenschappen van grafeen in minder dan 14 minuten detecteren voor een enkele dataset met een resolutie van 1936 x 1216. Dit bespaart fabrikanten essentiële tijd en geld, en een concurrentievoordeel te creëren in een groeiende markt."

Ontdekt in 2004, grafeen wordt aangeprezen als een wondermateriaal vanwege zijn uitstekende lichtgewicht, dunne en ultraflexibele eigenschappen. Grafeen wordt geproduceerd door de afschilfering van grafiet. Grafiet, een kristallijne vorm van koolstof met atomen die hexagonaal zijn gerangschikt, bestaat uit vele lagen grafeen.

Echter, de vertaling van dit potentieel naar levensechte en bruikbare producten verliep traag. Een van de redenen is het gebrek aan betrouwbaarheid en consistentie van wat commercieel vaak verkrijgbaar is als grafeen.

De meest gebruikte methode voor het produceren van grafeen- en grafeenoxidevellen is door middel van vloeibare fase-exfoliatie (LPE). In dit proces, de enkellaagse platen zijn ontdaan van hun 3D-tegenhanger zoals grafiet, grafietoxidefilm of geëxpandeerd grafiet door afschuifkrachten.

Maar, dit kan alleen worden afgebeeld met een droog monster (d.w.z. nadat het grafeen is gecoat op een glasplaatje).

"Hoewel er een sterke nadruk is gelegd op standaardisatierichtlijnen van grafeenmaterialen, er is vrijwel geen manier om het fundamentele eenheidsproces van exfoliatie te volgen, productkwaliteit varieert van laboratorium tot laboratorium en van fabrikant tot fabrikant, ' zei Dr. Shaibani.

"Als resultaat, discrepanties worden vaak waargenomen in de gerapporteerde eigenschap-prestatiekenmerken, ook al wordt beweerd dat het materiaal grafeen is.

"Ons werk kan van belang zijn voor industrieën die geïnteresseerd zijn in het leveren van grafeen van hoge kwaliteit aan hun klanten met betrouwbare functionaliteit en eigenschappen. Er zijn een aantal ASX-beursgenoteerde bedrijven die proberen deze miljardenmarkt te betreden, en deze technologie zou deze interesse kunnen versnellen."

Onderzoekers pasten het algoritme toe op een assortiment van 18 grafeenmonsters, waarvan er acht werden verkregen uit commerciële bronnen en de rest geproduceerd in een laboratorium onder gecontroleerde verwerkingsomstandigheden.

Met behulp van een kwantitatieve gepolariseerde optische microscoop, onderzoekers identificeerden een techniek voor het detecteren, classificeren en kwantificeren van geëxfolieerd grafeen in zijn natuurlijke vorm van een dispersie.

Om de informatie die wordt gegenereerd uit honderden afbeeldingen en grote aantallen monsters op een snelle en efficiënte manier te maximaliseren, onderzoekers ontwikkelden een niet-gesuperviseerd algoritme voor machinaal leren om gegevensclusters van vergelijkbare aard te identificeren, en gebruik vervolgens beeldanalyse om de verhoudingen van elk cluster te kwantificeren.

De heer Abedin zei dat deze methode het potentieel heeft om te worden gebruikt voor de classificatie en kwantificering van andere tweedimensionale materialen.

"Het vermogen van onze aanpak om stapelen op sub-nanometer tot micrometerschaal te classificeren en de grootte te meten, dikte, en concentratie van exfoliatie in generieke dispersies van grafeen/grafeenoxide is opwindend en houdt een uitzonderlijke belofte in voor de ontwikkeling van energie- en thermisch geavanceerde producten, ' zei meneer Abedin.

Professor Dusan Losic, Directeur van de hub van de Australian Research Council over grafeen-enabled Industry Transformation, zei:"Deze uitstekende resultaten van onze ARC Research Hub zullen een aanzienlijke impact hebben op de opkomende grafeenindustrie van meerdere miljarden dollars, waardoor grafeenfabrikanten en eindgebruikers een nieuwe eenvoudige kwaliteitscontroletool krijgen om de kwaliteit van hun geproduceerde grafeenmaterialen te definiëren die momenteel ontbreekt."