Les ingénieurs de l'Université Monash en Australie ont développé une technologie de première mondiale qui peut aider l'industrie à identifier et à exporter du graphène de haute qualité à moindre coût, plus rapide et plus précise que les méthodes actuelles.

Publié aujourd'hui dans une revue internationale Sciences avancées , les chercheurs ont utilisé l'ensemble de données d'un microscope optique pour développer un algorithme d'apprentissage automatique qui peut caractériser les propriétés et la qualité du graphène, sans parti pris, dans les 14 minutes.

Cette technologie change la donne pour des centaines de fabricants de graphène ou d'oxyde de graphène dans le monde. Cela les aidera à améliorer rapidement la qualité et la fiabilité de leur approvisionnement en graphène.

Actuellement, les fabricants ne peuvent détecter la qualité et les propriétés du graphène utilisé dans un produit qu'après sa fabrication.

Grâce à cet algorithme, qui a le potentiel d'être déployé à l'échelle mondiale avec un soutien commercial, les producteurs de graphène peuvent être assurés d'un produit de qualité et supprimer le processus long et coûteux d'une série de techniques de caractérisation pour identifier les propriétés du graphène, telles que l'épaisseur et la taille des couches atomiques.

Le professeur Mainak Majumder du Département d'ingénierie mécanique et aérospatiale de l'Université Monash et le Hub on Graphene Enabled Industry Transformation de l'Australian Research Council ont dirigé cette étude révolutionnaire.

Les co-auteurs de l'étude sont Md. Joynul Abedin et Dr. Mahdokht Shaibani (Monash, Département de génie mécanique et aérospatial), et Titon Barua (Vimmaniac Ltd., Bangladesh).

"Le graphène possède une capacité extraordinaire de conductivité électrique et thermique. Il est largement utilisé dans la production de membranes pour la purification de l'eau, stockage d'énergie et dans les technologies intelligentes, tels que les capteurs de chargement de poids sur les ponts de circulation, " dit le professeur Majumder.

"À la fois, le graphène est plutôt cher lorsqu'il s'agit d'une utilisation en grande quantité. Un gramme de graphène de haute qualité peut coûter jusqu'à 1 $, 000 AUD (720 USD) dont un pourcentage important est dû au processus coûteux de contrôle de la qualité.

"Par conséquent, les fabricants doivent être assurés qu'ils s'approvisionnent en graphène de la plus haute qualité sur le marché. Notre technologie peut détecter les propriétés du graphène en moins de 14 minutes pour un seul jeu de données d'une résolution de 1936 x 1216. Cela permettra aux fabricants d'économiser du temps et de l'argent, et établir un avantage concurrentiel sur un marché en pleine croissance.

Découvert en 2004, le graphène est présenté comme un matériau merveilleux pour sa légèreté exceptionnelle, propriétés minces et ultra-souples. Le graphène est produit par l'exfoliation du graphite. Graphite, une forme cristalline de carbone avec des atomes disposés de manière hexagonale, comprend de nombreuses couches de graphène.

Cependant, la traduction de ce potentiel en produits réels et utilisables a été lente. L'une des raisons est le manque de fiabilité et de cohérence de ce qui est souvent disponible dans le commerce sous forme de graphène.

La méthode la plus largement utilisée pour produire des feuilles de graphène et d'oxyde de graphène est l'exfoliation en phase liquide (LPE). Dans ce processus, les feuilles monocouches sont dénudées de leur contrepartie tridimensionnelle telle que le graphite, film d'oxyde de graphite ou graphite expansé par des forces de cisaillement.

Mais, cela ne peut être imagé qu'à l'aide d'un échantillon sec (c'est-à-dire une fois que le graphène a été enduit sur une lame de verre).

"Bien qu'il y ait eu un fort accent sur les directives de normalisation des matériaux de graphène, il n'y a pratiquement aucun moyen de surveiller le processus unitaire fondamental de l'exfoliation, la qualité des produits varie d'un laboratoire à l'autre et d'un fabricant à l'autre, " a déclaré le Dr Shaibani.

"Par conséquent, des écarts sont souvent observés dans les caractéristiques de performance des propriétés déclarées, même si le matériau est prétendu être du graphène.

"Notre travail pourrait être important pour les industries qui souhaitent fournir du graphène de haute qualité à leurs clients avec des fonctionnalités et des propriétés fiables. Un certain nombre de sociétés cotées à l'ASX tentent d'entrer sur ce marché d'un milliard de dollars, et cette technologie pourrait accélérer cet intérêt."

Les chercheurs ont appliqué l'algorithme à un assortiment de 18 échantillons de graphène, dont huit ont été acquis auprès de sources commerciales et le reste produit en laboratoire dans des conditions de traitement contrôlées.

A l'aide d'un microscope optique polarisé quantitatif, les chercheurs ont identifié une technique pour détecter, classer et quantifier le graphène exfolié sous sa forme naturelle de dispersion.

Pour maximiser les informations générées à partir de centaines d'images et d'un grand nombre d'échantillons de manière rapide et efficace, les chercheurs ont développé un algorithme d'apprentissage automatique non supervisé pour identifier des clusters de données de nature similaire, puis utiliser l'analyse d'images pour quantifier les proportions de chaque groupe.

M. Abedin a déclaré que cette méthode a le potentiel d'être utilisée pour la classification et la quantification d'autres matériaux bidimensionnels.

« La capacité de notre approche à classer les empilements à l'échelle sub-nanométrique à micrométrique et à en mesurer la taille, épaisseur, et la concentration de l'exfoliation dans des dispersions génériques de graphène/oxyde de graphène est passionnante et est extrêmement prometteuse pour le développement de produits énergétiques et thermiquement avancés, ", a déclaré M. Abedin.

Professeur Dusan Losic, Directeur du Hub de l'Australian Research Council sur la transformation de l'industrie grâce au graphène, a déclaré:"Ces résultats exceptionnels de notre centre de recherche ARC auront un impact significatif sur l'industrie émergente du graphène de plusieurs milliards de dollars, offrant aux fabricants de graphène et aux utilisateurs finaux un nouvel outil de contrôle de la qualité simple pour définir la qualité de leurs matériaux de graphène produits qui manque actuellement. "