Will Dickinson estava enfrentando um enigma.

Ele queria estudar folhas de grafeno e tinha alguns dos instrumentos de laboratório mais sensíveis do mundo à sua disposição. Seu problema era o seguinte:as folhas de grafeno são, pelos padrões do dia a dia, pequenas coisas; um grande tem apenas alguns mícrons de diâmetro.

Seu instrumento preferido para análise de materiais é o microscópio de força atômica (AFM). Mas o trabalho do AFM é lento e caro, e Dickinson precisou examinar um monte de folhas.

Então Dickinson, um Ph.D. estudante trabalhando com Hannes Schniepp no ​​Departamento de Ciências Aplicadas de William &Mary, surgiu com uma técnica engenhosa para examinar folhas de grafeno de forma rápida e barata.

Schniepp, a Adina Allen Term Distinguished Professora Associada, diz que a descoberta do laboratório é um grande passo em direção à produção em massa de produtos de grafeno para consumo. Sua investigação foi financiada pela National Science Foundation. A nova técnica é descrita em "Espessura óptica de alto rendimento e caracterização de tamanho de materiais 2-D, "publicado com colaboradores da University of Connecticut no jornal Royal Society of Chemistry Nanoescala .

Grafeno, Schniepp explicou, tem um potencial virtualmente ilimitado como material do futuro. Como diamante, grafeno é um alótropo de carbono. Ele enumerou algumas das virtudes do alótropo de carbono.

"É o material mais forte do planeta. É um dos materiais mais rígidos. Tem uma condutividade elétrica incrível, " ele disse.

Schniepp acrescentou que a matéria-prima do grafeno é o grafite, "que é literalmente muito barato." Os cientistas têm feito folhas de grafeno com a espessura de um único átomo, mas montando o suficiente minúsculo, As folhas de grafeno em nanoescala para fazer a fuselagem de um avião - ou mesmo um semicondutor - apresentam alguns desafios.

"Destes lençóis realmente pequenos, para chegar a uma TV, ou uma célula solar, ou uma bicicleta, bem, voce precisa de muitas folhas, "Schniepp disse." Então, antes de mais nada, você precisa descobrir uma técnica para produzir muitos deles. Estamos fazendo progresso com isso. "

De fato, o grafeno está começando a encontrar seu caminho em produtos de consumo - Dickinson tem um par de fones de ouvido com membranas de grafeno e Schniepp diz que produtos maiores, como armações de raquete de tênis, estão a cerca de cinco anos de chegar ao mercado.

Um dos aspectos necessários para a produção em massa de grafeno é o controle de qualidade. É aí que a contribuição de Schniepp e Dickinson ajudará. Você produz grafeno dispersando sua matéria-prima em um forte banho de ultrassom e, em seguida, depositando-o em um substrato.

As folhas de grafeno produzidas podem ter uma única camada de espessura - ou mais. E o número de camadas é importante, Schniepp disse.

"As propriedades dessas folhas são todas diferentes, "disse ele." Se você for de um para dois, há uma grande diferença nas propriedades das folhas. "

Schniepp e Dickinson precisavam de uma maneira de alto rendimento para examinar a espessura das folhas. Os microscópios eletrônicos podem fazer o trabalho, mas a produção de grafeno em qualquer coisa que se aproxime de uma escala industrial vai requerer uma análise que é relativamente rápida e idealmente não requer instrumentos multimilionários.

Eles decidiram tentar microscopia óptica, usando um microscópio de qualidade decente, "Um que você encontraria em quase todos os laboratórios de pesquisa - ou mesmo laboratórios de ensino - aqui na William &Mary, "Schniepp disse. Os escopos ópticos têm uso mínimo em aplicações de nanotecnologia, que requerem maior resolução.

"Quando você fala sobre grafeno, porque as folhas são incrivelmente finas, eles quase não oferecem contraste óptico. A luz passa inteiramente por eles. Então, se você apenas olhar para eles através de um microscópio, quase não há contraste, "Schniepp explicou.

Dickinson estava frustrado tentando olhar para grandes folhas de grafeno usando microscopia de força atômica. AFM trabalha com objetos que são, no máximo, cerca de 100 mícrons de lado, e as amostras que ele tinha eram várias vezes maiores.

"Então, Eu estava pensando, Não consigo usar o AFM. Talvez eu possa olhar para eles com o microscópio óptico, e tirar algo disso, "Dickinson disse." Eu preciso de algo, "pensou consigo mesmo." Porque não ter nada agora não faz ninguém feliz. "

Ele colocou algumas folhas de grafeno sob a lente do escopo óptico e viu o que um grande número de engenheiros e cientistas já tinha visto:"Você podia ver as diferentes camadas, mas a imagem simplesmente não é boa o suficiente. "

Dickinson começou a mexer no processo, refinando-o passo a passo. Por exemplo, ele fez uma imagem do substrato vazio sobre o qual o grafeno se assenta. Então ele poderia trabalhar em uma maneira de subtrair esse background.

"Isso me dá algo melhor, "Dickinson disse. Ele começou a trabalhar com um histograma de sua imagem, muito parecido com um editor de fotos corrige uma imagem no Photoshop. Isso o aproximou do resultado desejado, mas não perto o suficiente.

Dickinson começou a pensar sobre o extenso componente de processamento de imagem baseado em software da microscopia de força atômica. O que aconteceria se ele pegasse uma imagem de grafeno de seu microscópio óptico e a fizesse passar por um regime de processamento de AFM? Valeu a pena, ele pensou.

"Então, Eu exporto esta imagem ótica para um arquivo de texto e o importo, como lateralmente, no software AFM e usar essas técnicas, "Dickinson disse." De repente, Eu pude ver muito aqui! "

Ele trabalhou para refinar a técnica. Dickinson disse que ainda não tinha certeza sobre o que havia realizado até que ele e Schniepp demonstraram o processo para Douglas Adamson, um colaborador da Universidade de Connecticut.

"Quando mostramos ao professor Adamson, ele disse, 'Isso é muito legal. Ninguém fez isso antes! É uma coisa útil, '", Lembrou Dickinson.

Endosso adicional veio em conferências, onde seu pôster atraiu um grupo consistentemente animado de engenheiros e cientistas. "Estávamos atolados!" Schniepp disse.

Não é de se admirar que seu pôster tenha atraído tanta atenção. Schniepp estimou que sua técnica é 10 vezes mais barata e pelo menos 100 vezes mais rápida do que as técnicas de inspeção com grafeno atualmente em uso. É um grande passo em direção à produção em massa da substância e Schniepp dá a maior parte do crédito a Dickinson.

"A maior parte foi da parte de Will. Acho que este papel não existiria sem ele, "Schniepp disse." Não é uma situação em que eu tive a ideia e depois o aconselhei a fazer isso. Foi ele quem percebeu o potencial que existe e teve paciência e persistência para aperfeiçoar a técnica ... isso é tudo Will. "