Will Dickinson stod inför en gåta.

Han ville studera grafenark och han hade några av världens känsligaste laboratorieinstrument till sitt förfogande. Hans problem var detta:Grafenark är, med vardagsmått, teeny saker; en stor är bara några mikrometer i diameter.

Hans bästa instrument för materialanalys är atomkraftmikroskopet (AFM). Men AFM-arbetet är långsamt och dyrt och Dickinson behövde undersöka en hel del ark.

Så Dickinson, en Ph.D. student som arbetar med Hannes Schniepp vid William &Marys institution för tillämpad vetenskap, kom på en genialisk teknik för att snabbt och billigt undersöka grafenark.

Schniepp, Adina Allen Term Distinguished Docent, säger att labbets upptäckt är ett stort steg mot massproduktion av konsumentklassade grafenprodukter. Deras undersökning finansierades av National Science Foundation. Den nya tekniken beskrivs i "Optisk tjocklek med hög genomströmning och storlekskarakterisering av 2-D-material, " publicerad med medarbetare från University of Connecticut i tidskriften Royal Society of Chemistry Nanoskala .

Grafen, Schniepp förklarade, har en praktiskt taget obegränsad potential som ett framtidsmaterial. Som diamant, grafen är en allotrop av kol. Han pekade på några av fördelarna med kolallotropen.

"Det är det starkaste materialet på planeten. Det är ett av de styvare materialen. Det har fantastisk elektrisk ledningsförmåga, " han sa.

Schniepp tillade att råmaterialet för grafen är grafit, "vilket är bokstavligen smutsbilligt." Forskare har gjort ark av grafen till en enda atom tjock, men monterar ihop tillräckligt små, grafenark i nanoskala för att göra en flygplanskropp – eller till och med en halvledare – innebär vissa utmaningar.

"Från dessa riktigt små lakan, att komma till en TV, eller en solcell, eller en cykel – ja, du behöver många ark, " sa Schniepp. "Så, först och främst måste du komma på en teknik för att producera många av dem. Vi gör framsteg med det."

Verkligen, grafen börjar hitta in i konsumentprodukter - Dickinson har ett par hörlurar med grafenmembran och Schniepp säger att större produkter, som tennisracketramar, är ungefär fem år från att komma ut på marknaden.

En av de nödvändiga aspekterna för massproduktion av grafen är kvalitetskontroll. Det är där Schniepp och Dickinsons bidrag kommer att hjälpa. Du gör grafen genom att sprida ditt råmaterial i ett starkt ultraljudsbad och sedan avsätta det på ett substrat.

Arken av grafen som produceras kan vara ett enda lager tjocka - eller mer. Och antalet lager spelar roll, sa Schniepp.

"Egenskaperna hos dessa ark är alla olika, " sa han. "Om du går från ett till två, det är ganska stor skillnad i arkens egenskaper. "

Schniepp och Dickinson behövde ett sätt med hög genomströmning för att undersöka tjockleken på arken. Elektronmikroskop kan göra jobbet, men produktionen av grafen i allt som närmar sig industriell skala kommer att kräva analyser som är relativt snabba och idealiskt sett inte kräver flera miljoner dollar instrument.

De bestämde sig för att prova optisk mikroskopi, använda ett mikroskop av anständig kvalitet, "En som du skulle hitta i nästan varje forskningslabb - eller till och med undervisningslabb - här på William &Mary, ", sa Schniepp. Optiska kikarsikter har minimal användning i nanoteknologiapplikationer, som kräver högre upplösning.

"När du pratar om grafen, eftersom lakanen är så otroligt tunna, de ger nästan ingen optisk kontrast. Ljuset går helt igenom dem. Så, om du bara tittar på dem genom ett mikroskop, det finns nästan ingen kontrast, " förklarade Schniepp.

Dickinson var frustrerad över att försöka titta på stora grafenark med hjälp av atomkraftsmikroskopi. AFM arbetar med objekt som är som mest, cirka 100 mikron på en sida, och proverna han hade var flera gånger så stora.

"Så, Jag tänkte, Jag kan inte använda AFM. Jag kanske kan titta på dem med det optiska mikroskopet, och få ut något av det, " sa Dickinson. "Jag behöver något, tänkte han för sig själv. För att ha ingenting just nu gör ingen lycklig.

Han lade några grafenark under det optiska objektivet och såg vad ett stort antal ingenjörer och forskare hade sett tidigare:"Du kunde se de olika lagren, men bilden är bara inte tillräckligt bra. "

Dickinson började mixtra med processen, förfina det steg för steg. Till exempel, han gjorde en bild av det nakna underlaget grafen sitter på. Sedan kunde han arbeta på ett sätt att dra bort den bakgrunden.

"Det ger mig något bättre, "Sa Dickinson. Han började arbeta med ett histogram av sin bild, ungefär som en fotoredigerare korrigerar en bild i Photoshop. Det förde honom närmare ett önskat resultat, men inte tillräckligt nära.

Dickinson började tänka på den omfattande mjukvarubaserade bildbehandlingskomponenten i atomkraftsmikroskopi. Vad skulle hända om han tog en grafenbild från sitt optiska mikroskop och körde den genom en AFM-bearbetningskur? Det var värt ett skott, han trodde.

"Så, Jag exporterar den här optiska bilden till en textfil och importerar den, som i sidled, i AFM-programvara och använda dessa tekniker, " sa Dickinson. "Plötsligt, Jag kunde se mycket här!"

Han arbetade med att förfina tekniken. Dickinson sa att han fortfarande inte var säker på vad han hade åstadkommit förrän han och Schniepp demonstrerade processen för Douglas Adamson, en medarbetare vid University of Connecticut.

"När vi visade det för professor Adamson, han sa, 'Det här är väldigt coolt. Ingen har gjort detta förut! Det är en användbar sak, ", mindes Dickinson.

Ytterligare stöd kom vid konferenser, där deras affisch lockade en genomgående upphetsad grupp ingenjörer och forskare. "Vi var översvämmade!" sa Schniepp.

Det är inte konstigt att deras affisch väckte så mycket uppmärksamhet. Schniepp uppskattade att deras teknik är 10 gånger billigare och minst 100 gånger snabbare än grafeninspektionstekniker som nu används. Det är ett stort steg mot massproduktion av ämnet och Schniepp ger majoriteten av äran till Dickinson.

"Det mesta var Wills del. Jag tror att denna tidning inte skulle existera utan honom, " Sa Schniepp. "Det är inte en situation där jag hade idén och sedan rådde honom att göra det. Det var han som insåg potentialen som fanns och hade tålamod och uthållighet för att förbättra tekniken ... det är allt Will. "