«الغرافين يتحدث»... ابتكار يساعد في مراقبة جودة المنتج

عبر معالجة الإشارات الصوتية

قبل نحو 12 عاماً منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم جائزة نوبل في الفيزياء للعالمين الروسيين بجامعة مانشستر «أندريه غييم» و«كونستانتين نوفوسيلوف» عن ابتكارهما لمادة الغرافين عام 2004. ومنذ ذلك التاريخ لم ينقطع الاهتمام بهذه المادة، المشتقة من الكربون، والتي تتمتع بمزايا توصيل الكهرباء، مع ميزة السماح بنفاذ الحرارة والضوء عبر جزيئاتها، وهو ما أهلها للاستخدام في عدة مجالات، مثل إنتاج الشرائح الإلكترونية والاستخدامات الطبية، وتحلية مياه البحر، وتنقية المياه من الملوثات.
وكانت أحدث الأبحاث في مجال إنتاج الغرافين، استخدام الصوت، حيث سمع شقيقان في مختبر جامعة رايس الأميركية، شيئاً غير عادي أثناء صنعه، وفي النهاية قررا أن الصوت نفسه يمكن أن يمنحهم بيانات قيمة حول المنتج.
والشقيقان هما، جون لي، خريج جامعة رايس، يدرس الآن في جامعة ستانفورد، وفيكتور لي، الذي كان طالباً في مدرسة ثانوية في نيويورك وهو الآن طالب جديد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأصبح الاثنان مؤلفين رئيسيين لورقة بحثية تدور حول تحليل الوقت لإنتاج الغرافين المستحث بالليزر (LIG) من خلال الصوت.
وكان الشقيقان يعملان في مختبر جيمس تور للكيمياء بجامعة رايس، عندما توصلا إلى فرضيتهما وقدماها في اجتماع جماعي. ويتذكر جون لي، في تقرير نشره الموقع الإلكتروني لجامعة رايس يوم 19 يناير (كانون الثاني) الماضي «قال الأستاذ تور، إنه أمر مثير للاهتمام، وطلب منا متابعته كمشروع محتمل».
وتصف النتائج، التي ظهرت في دورية «المواد الوظيفية المتقدمة» مخططاً بسيطاً لمعالجة الإشارات الصوتية، بما يساعد في تحليل الغرافين المستحث بالليزر في الوقت الفعلي لتحديد شكله وجودته.
والغرافين المستحث بالليزر، الذي قدمه مختبر تور عام 2014، يصنع طبقات من صفائح الغرافين المترابطة عن طريق تسخين الجزء العلوي من لوح بوليمر رفيع إلى 2500 درجة مئوية (4532 درجة فهرنهايت)، تاركاً وراءه ذرات كربون فقط، وتم تطبيق هذه التقنية منذ ذلك الحين لصنع الغرافين من المواد الأولية الأخرى، وحتى الطعام.
يقول جون «في ظل ظروف مختلفة، نسمع أصواتاً مختلفة بسبب حدوث عمليات مختلفة، لذلك إذا سمعنا اختلافات أثناء التركيب، فسنكون قادرين على اكتشاف المواد التي يتم تشكيلها».
ويشير إلى أن التحليل الصوتي يسمح «بقدرات مراقبة جودة أكبر بكثير وهي أسرع بكثير من توصيف الغرافين الناجم عن الليزر بواسطة تقنيات الفحص المجهري».
ويضيف «في تحليل المواد، غالباً ما تكون هناك مفاضلات بين التكلفة والسرعة وقابلية التوسع والدقة، لا سيما فيما يتعلق بكمية المواد التي يمكنك معالجتها بشكل منهجي، وما لدينا هنا يسمح لنا بتوسيع نطاق إنتاجية قدراتنا التحليلية بكفاءة إلى الكمية الكاملة من المواد التي نحاول توليفها بطريقة قوية». ودعا جون شقيقه الأصغر إلى هيوستن، مدركاً أن خبرته ستكون ميزة إضافية في المختبر.
يقول «لدينا مجموعات مهارات تكميلية تقريباً حسب التصميم، حيث أتجنب التخصص في الأشياء التي يعرفها جيداً، وبالمثل يتجنب المجالات التي أعرفها جيداً، لذلك نشكل فريقاً قوياً للغاية».
ويوضح أنه «بشكل أساسي، يمكن لنمط الأصوات الصحيحة أن تتوافق مع المنتج الصحيح، وربطنا الأصوات المختلفة التي تتوافق مع المنتجات المختلفة».
ومن خلال ميكروفون صغير بقيمة 31 دولاراً من أمازون ملصق برأس الليزر وملحق بهاتف محمول داخل خزانة الليزر يتم التقاط الصوت لتحليله.
يقول تور: «قام الأخوان بتحويل نمط الصوت من خلال تقنية رياضية تسمى تحويل فورييه السريع، حتى يتمكنوا من الحصول على البيانات الرقمية من البيانات الصوتية، ومن خلال بعض الحسابات الرياضية، يمكن أن تكون هذه البيانات أداة تحليلية لتقييم نوع المنتج ونقاوته».
يقول جون لي إن الأصوات المنبعثة «توفر معلومات عن استرخاء مدخلات الطاقة عندما يضرب الليزر العينة ويتم امتصاصه أو نقله أو تناثره أو انعكاسه أو تحويله بشكل عام إلى أنواع مختلفة من الطاقة، وهذا يسمح لنا بالحصول على معلومات عن خصائص البنية الدقيقة للجرافين، وخصائص مورفولوجيته وخصائص المقياس النانوي».
ويبدي تور إعجابه بالنتائج قائلاً «ما توصل إليه هؤلاء الإخوة مذهل... إنهم يسمعون أصوات التوليف أثناء إجرائها، ومن ثم يمكنهم تحديد نوع المنتج وجودته بشكل شبه فوري، وقد يكون هذا نهجاً مهماً أثناء التوليف لتوجيه معايير التصنيع».