Will Dickinson stava affrontando un enigma.

Voleva studiare fogli di grafene e aveva a sua disposizione alcuni degli strumenti di laboratorio più sensibili al mondo. Il suo problema era questo:i fogli di grafene sono, per gli standard quotidiani, cose piccolissime; uno grande ha un diametro di pochi micron.

Il suo strumento di riferimento per l'analisi dei materiali è il microscopio a forza atomica (AFM). Ma il lavoro dell'AFM è lento e costoso e Dickinson aveva bisogno di esaminare un sacco di fogli.

Quindi Dickinson, un dottorato di ricerca studente che lavora con Hannes Schniepp nel Dipartimento di Scienze Applicate di William &Mary, ha inventato una tecnica ingegnosa per esaminare i fogli di grafene in modo rapido ed economico.

Schniepp, il Professore Associato Adina Allen Term Distinguished, afferma che la scoperta del laboratorio è un grande passo avanti verso la produzione di massa di prodotti di grafene di livello consumer. La loro indagine è stata finanziata dalla National Science Foundation. La nuova tecnica è descritta in "Caratterizzazione dello spessore e delle dimensioni ottiche ad alto rendimento di materiali 2-D, " pubblicato con i collaboratori dell'Università del Connecticut sulla rivista Royal Society of Chemistry Nanoscala .

Grafene, Schniepp ha spiegato, ha un potenziale virtualmente illimitato come materiale del futuro. come diamante, il grafene è un allotropo del carbonio. Ha messo in evidenza alcune delle virtù dell'allotropo del carbonio.

"È il materiale più resistente del pianeta. È uno dei materiali più rigidi. Ha un'incredibile conduttività elettrica, " Egli ha detto.

Schniepp ha aggiunto che la materia prima del grafene è la grafite, "che è letteralmente a buon mercato." Gli scienziati hanno creato fogli di grafene dello spessore di un singolo atomo, ma assemblando abbastanza piccolo, fogli di grafene su scala nanometrica per realizzare la fusoliera di un aereo, o anche un semiconduttore, pone alcune sfide.

"Da questi fogli veramente piccoli, per arrivare a una TV, o una cella solare, o una bicicletta, beh, hai bisogno di molti fogli, " disse Schniepp. "Allora, prima di tutto devi trovare una tecnica per produrne molti. Stiamo facendo progressi in questo".

Infatti, il grafene sta iniziando a farsi strada nei prodotti di consumo:Dickinson ha un paio di cuffie con membrane in grafene e Schniepp afferma che i prodotti più grandi, come telai di racchette da tennis, mancano circa cinque anni all'arrivo sul mercato.

Uno degli aspetti necessari per la produzione di massa di grafene è il controllo di qualità. È qui che il contributo di Schniepp e Dickinson aiuterà. Produci grafene disperdendo la tua materia prima in un forte bagno di ultrasuoni e poi depositandola su un substrato.

I fogli di grafene prodotti possono essere spessi un singolo strato o più. E il numero di strati è importante, ha detto Schniepp.

"Le proprietà di questi fogli sono tutte diverse, " disse. "Se vai da uno a due, c'è una bella differenza nelle proprietà dei fogli."

Schniepp e Dickinson avevano bisogno di un metodo ad alta produttività per esaminare lo spessore dei fogli. I microscopi elettronici possono fare il lavoro, ma la produzione di grafene su qualsiasi cosa si avvicini a una scala industriale richiederà un'analisi relativamente rapida e idealmente non richiede strumenti multimilionari.

Decisero di provare la microscopia ottica, usando un microscopio di qualità decente, "Uno che potresti trovare in quasi tutti i laboratori di ricerca, o anche di insegnamento, qui alla William &Mary, " ha detto Schniepp. I cannocchiali ottici hanno un uso minimo nelle applicazioni di nanotecnologia, che richiedono una risoluzione maggiore.

"Quando parli di grafene, perché le lenzuola sono così incredibilmente sottili, non danno quasi alcun contrasto ottico. La luce li attraversa interamente. Così, se li guardi semplicemente al microscopio, non c'è quasi contrasto, "Schiepp ha spiegato.

Dickinson era frustrato dal tentativo di guardare grandi fogli di grafene usando la microscopia a forza atomica. AFM lavora con oggetti che sono, al massimo, circa 100 micron di lato, e i campioni che aveva erano parecchie volte così grandi.

"Così, Stavo pensando, Non posso usare l'AFM. Forse posso guardarli con il microscopio ottico, e tirane fuori qualcosa, " Dickinson ha detto. "Ho bisogno di qualcosa, "Pensò tra sé. "Perché non avere niente in questo momento non rende felice nessuno."

Ha messo alcuni fogli di grafene sotto la lente del telescopio ottico e ha visto ciò che un gran numero di ingegneri e scienziati aveva visto prima:"Si potevano vedere i diversi strati, ma l'immagine non è abbastanza buona."

Dickinson iniziò ad armeggiare con il processo, perfezionandolo passo dopo passo. Ad esempio, ha realizzato un'immagine del nudo substrato su cui si trova il grafene. Quindi potrebbe lavorare su un modo per sottrarre quello sfondo.

"Questo mi dà qualcosa di meglio, " disse Dickinson. Iniziò a lavorare con un istogramma della sua immagine, proprio come un editor di foto corregge un'immagine in Photoshop. Lo ha avvicinato al risultato desiderato, ma non abbastanza vicino.

Dickinson iniziò a pensare all'esteso componente di elaborazione delle immagini basato su software della microscopia a forza atomica. Cosa accadrebbe se prendesse un'immagine di grafene dal suo microscopio ottico e la sottoponesse a un regime di elaborazione AFM? Ne è valsa la pena, pensò.

"Così, esporto questa immagine ottica in un file di testo e la importo, come di lato, nel software AFM e utilizzare tali tecniche, " disse Dickinson. "Improvvisamente, Ho potuto vedere molto qui!"

Ha lavorato per affinare la tecnica. Dickinson ha detto che non era ancora sicuro di ciò che aveva realizzato fino a quando lui e Schniepp non hanno mostrato il processo a Douglas Adamson, un collaboratore presso l'Università del Connecticut.

"Quando l'abbiamo mostrato al professor Adamson, Egli ha detto, 'Questo è molto bello. Nessuno l'ha mai fatto prima! è una cosa utile, '", ricorda Dickinson.

Ulteriori conferme sono arrivate in occasione di conferenze, dove il loro poster ha attirato un gruppo costantemente entusiasta di ingegneri e scienziati. "Siamo stati sommersi!" ha detto Schniepp.

Non c'è da meravigliarsi se il loro poster ha attirato così tanta attenzione. Schniepp ha stimato che la loro tecnica è 10 volte meno costosa e almeno 100 volte più veloce delle tecniche di ispezione del grafene attualmente in uso. È un grande passo verso la produzione di massa della sostanza e Schniepp attribuisce la maggior parte del merito a Dickinson.

"La maggior parte era parte di Will. Penso che questo giornale non esisterebbe senza di lui, " Schniepp ha detto. "Non è una situazione in cui ho avuto l'idea e poi gli ho consigliato di farlo. È stato lui a realizzare il potenziale che c'è e ha avuto la pazienza e la perseveranza per perfezionare la tecnica... questo è tutto Will".