Will Dickinson était confronté à une énigme.

Il voulait étudier des feuilles de graphène et il avait à sa disposition certains des instruments de laboratoire les plus sensibles au monde. Son problème était le suivant :les feuilles de graphène sont, selon les normes de tous les jours, des choses minuscules; un grand n'a que quelques microns de diamètre.

Son instrument de prédilection pour l'analyse des matériaux est le microscope à force atomique (AFM). Mais le travail AFM est lent et coûteux et Dickinson a dû examiner un grand nombre de feuilles.

Alors Dickinson, un doctorat étudiant travaillant avec Hannes Schniepp au département des sciences appliquées de William &Mary, a mis au point une technique ingénieuse pour examiner les feuilles de graphène rapidement et à moindre coût.

Schniepp, le professeur agrégé distingué Adina Allen Term, dit que la découverte du laboratoire est un grand pas vers la production de masse de produits à base de graphène de qualité grand public. Leur enquête a été financée par la National Science Foundation. La nouvelle technique est décrite dans "Epaisseur optique à haut débit et caractérisation de la taille des matériaux 2D, " publié avec des collaborateurs de l'Université du Connecticut dans le journal de la Royal Society of Chemistry Nanoéchelle .

Graphène, Schniepp a expliqué, a un potentiel pratiquement illimité en tant que matériau d'avenir. Comme le diamant, Le graphène est un allotrope du carbone. Il a coché quelques-unes des vertus de l'allotrope du carbone.

"C'est le matériau le plus résistant de la planète. C'est l'un des matériaux les plus rigides. Il a une conductivité électrique incroyable, " il a dit.

Schniepp a ajouté que la matière première du graphène est le graphite, "ce qui est littéralement bon marché." Les scientifiques ont fabriqué des feuilles de graphène d'un seul atome d'épaisseur, mais assembler assez petit, des feuilles de graphène à l'échelle nanométrique pour fabriquer un fuselage d'avion – ou même un semi-conducteur – pose certains défis.

"De ces très petites feuilles, pour accéder à une télévision, ou une cellule solaire, ou un vélo—eh bien, vous avez besoin de beaucoup de feuilles, " dit Schniepp. " Alors, tout d'abord, vous devez trouver une technique pour en produire beaucoup. Nous progressons avec ça."

En effet, le graphène commence à trouver sa place dans les produits de consommation—Dickinson a une paire d'écouteurs avec des membranes de graphène et Schniepp dit que les produits plus gros, tels que les cadres de raquettes de tennis, sont à environ cinq ans d'arriver sur le marché.

L'un des aspects nécessaires à la production de masse de graphène est le contrôle de la qualité. C'est là que la contribution de Schniepp et Dickinson sera utile. Vous fabriquez du graphène en dispersant votre matière première dans un bain à ultrasons puissant puis en la déposant sur un substrat.

Les feuilles de graphène produites peuvent être une seule couche épaisse ou plus. Et le nombre de couches compte, a dit Schniepp.

"Les propriétés de ces feuilles sont toutes différentes, " dit-il. " Si vous passez de un à deux, il y a une grande différence dans les propriétés des feuilles."

Schniepp et Dickinson avaient besoin d'un moyen à haut débit pour examiner l'épaisseur des feuilles. Les microscopes électroniques peuvent faire le travail, mais la production de graphène à une échelle approchant l'échelle industrielle nécessitera une analyse relativement rapide et, idéalement, ne nécessitant pas d'instruments de plusieurs millions de dollars.

Ils ont décidé d'essayer la microscopie optique, à l'aide d'un microscope de bonne qualité, "Un que vous trouverez dans presque tous les laboratoires de recherche - ou même les laboratoires d'enseignement - ici à William &Mary, " a déclaré Schniepp. Les étendues optiques ont une utilisation minimale dans les applications de la nanotechnologie, qui nécessitent une résolution plus élevée.

"Quand vous parlez de graphène, parce que les draps sont si incroyablement fins, ils ne donnent presque aucun contraste optique. La lumière les traverse entièrement. Donc, si vous les regardez simplement au microscope, il n'y a presque pas de contraste, " a expliqué Schniepp.

Dickinson était frustré d'essayer de regarder de grandes feuilles de graphène en utilisant la microscopie à force atomique. L'AFM travaille avec des objets qui sont, au plus, environ 100 microns de côté, et les échantillons qu'il avait étaient plusieurs fois plus gros.

"Donc, Je pensais, Je ne peux pas utiliser l'AFM. Peut-être que je peux les regarder au microscope optique, et en tirer quelque chose, " dit Dickinson. " J'ai besoin de quelque chose, " pensa-t-il. " Parce que n'avoir rien en ce moment ne rend personne heureux. "

Il a placé des feuilles de graphène sous l'objectif optique et a vu ce qu'un grand nombre d'ingénieurs et de scientifiques avaient vu auparavant :« Vous pouviez voir les différentes couches, mais l'image n'est tout simplement pas assez bonne."

Dickinson a commencé à bricoler le processus, l'affiner pas à pas. Par exemple, il a fait une image du substrat nu sur lequel repose le graphène. Ensuite, il pourrait travailler sur un moyen de soustraire ce fond.

"Cela me donne quelque chose de mieux, " a déclaré Dickinson. Il a commencé à travailler avec un histogramme de son image, un peu comme un éditeur de photos corrige une image dans Photoshop. Cela l'a rapproché du résultat souhaité, mais pas assez près.

Dickinson a commencé à réfléchir à la composante logicielle étendue de traitement d'images de la microscopie à force atomique. Que se passerait-il s'il prenait une image de graphène à partir de son microscope optique et la faisait passer par un régime de traitement AFM ? Ça valait le coup d'essayer, il pensait.

"Donc, J'exporte cette image optique dans un fichier texte et l'importe, comme de côté, dans le logiciel AFM et utiliser ces techniques, " dit Dickinson. " Soudain, Je pouvais voir beaucoup de choses ici!"

Il a travaillé à affiner la technique. Dickinson a déclaré qu'il n'était toujours pas sûr de ce qu'il avait accompli jusqu'à ce que lui et Schniepp démontrent le processus à Douglas Adamson, un collaborateur à l'Université du Connecticut.

"Quand nous l'avons montré au professeur Adamson, il a dit, 'C'est très cool. Personne n'a fait ça avant ! C'est une chose utile, '", se souvient Dickinson.

Une approbation supplémentaire est venue lors de conférences, où leur affiche a attiré un groupe constamment excité d'ingénieurs et de scientifiques. « Nous avons été submergés ! » a dit Schniepp.

Il n'est pas étonnant que leur affiche ait attiré autant d'attention. Schniepp a estimé que leur technique est 10 fois moins chère et au moins 100 fois plus rapide que les techniques d'inspection au graphène actuellement utilisées. C'est un grand pas vers la production de masse de la substance et Schniepp attribue la majorité du crédit à Dickinson.

"La majeure partie était de la part de Will. Je pense que ce papier n'existerait pas sans lui, " Schniepp a déclaré. "Ce n'est pas une situation où j'ai eu l'idée et lui ai ensuite conseillé de le faire. C'est lui qui a réalisé le potentiel qui était là et qui a eu la patience et la persévérance pour perfectionner la technique... c'est tout Will."