Recherche à Rochester: Irving met à niveau la technologie des instruments de mesure de tension et de courant

Les pionniers du génie chimique comme le senior Paul Irving continuent de tester les limites de l’ingénierie moderne et de la capacité chimique. Lorsqu’on lui a demandé pourquoi il s’était spécialisé en génie chimique, sa réponse a été rapide. « Mes choses préférées étaient la chimie, la physique, [and] les mathématiques, et ChemE était une excellente combinaison d’entre eux », a déclaré Irving. «Au départ, je décidais en fait entre la chimie et le génie chimique, mais je suis content d’avoir suivi la chimie.»

En dehors des universitaires, Irving est un joueur d’Ultimate Frisbee et membre de la Tau Beta Pi Engineering Society. Notamment, Irving participe à TAP, un programme d’adaptation de jouets où les étudiants de premier cycle recâblent des jouets à piles afin de permettre aux enfants handicapés de fonctionner et de jouer avec eux plus facilement.

L’été dernier, Irving a effectué un stage chez Mosaic Microsystems, une société de conditionnement en microélectronique et photonique dont l’objectif principal était de permettre l’utilisation de substrats de verre minces. Là, il a pu travailler dans une salle blanche sur le traitement de verre très fin lié à des plaquettes de silicium. Irving s’est concentré sur la compréhension de la physique du processus de gravure qui, s’il est amélioré, peut avoir des implications précieuses pour simuler des expériences informatisées d’une manière qui ne nécessite aucun matériau physique.

En conséquence, il a développé un algorithme de calcul pour prédire comment la forme du verre changerait au fil du temps lorsqu’il était gravé avec de l’acide fluorhydrique. «Par exemple, si le processus devait être adapté à différents paramètres tels que l’épaisseur du verre, le modèle pourrait aider à réduire la température à laquelle exécuter une certaine réaction.»

Fort d’expériences pratiques à son actif, Irving souhaitait concevoir un instrument potentiostat / galvanostat open source à faible coût qui offre la possibilité de prendre des mesures précises sur une plage de tension de courant électrique spécifiée. Un potentiostat est un dispositif électronique nécessaire pour contrôler une cellule à trois électrodes et exécuter des expériences électroanalytiques.

Au cours de sa deuxième année, Irving a rejoint le Yates Lab, où il a travaillé sur améliorer la conception d’un potentiostat déjà existant (qui était un périphérique open-source, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’informations cachées sur le fonctionnement de la conception) produire des mesures de tension et de courant plus élevées, ainsi que générer un temps d’échantillonnage plus rapide et plus efficace.

Récemment, Irving a publié un papier avec le professeur Yates sur cette conception de potentiostat, qui a des limites de courant et de tension plus élevées par rapport aux conceptions précédentes. Ici, il a pu implémenter un ADC (Analog to Digital Data Converter), qui permet aux circuits numériques de s’interfacer avec le monde réel en codant un signal analogique en un code binaire.

La mise en œuvre de l’ADC était un élément important parmi des dizaines d’autres facteurs essentiels. « Dans le but d’augmenter la tension, le courant et la vitesse de balayage, de nombreux changements ont été apportés à la conception d’origine pour atteindre ces spécifications. Cependant, lors du test de l’instrument, il a été constaté que les mesures étaient très bruyantes. La source de ce bruit était inconnue mais il semblait être à une fréquence relativement basse. Le problème était de déterminer la cause du bruit afin que sa source puisse être éliminée. »

Irving s’est rendu compte que la solution était plus simple. « En fin de compte, nous avons pu attribuer le bruit au fait que l’ADC ne disposait pas d’un filtre coupe-bande de 60 Hz. Le filtre coupe-bande de 60 Hz aide à éliminer la fréquence du courant alternatif de la prise de courant. Cette explication était contre-intuitive car le bruit apparaissant dans les mesures était à une fréquence bien inférieure à 60 Hz. »

La raison de cet événement est un phénomène connu sous le nom de aliasing. Il s’agit d’un effet qui rend différents signaux indiscernables ou déformés lorsqu’ils sont échantillonnés. « [In our case], puisque la fréquence de 60 Hz est beaucoup plus rapide que la fréquence d’échantillonnage, il est impossible pour l’instrument de pouvoir mesurer les fréquences très rapides », a ajouté Irving. «En conséquence, le bruit mesuré est à une fréquence réduite en raison de frapper une partie différente de l’onde sinusoïdale à chaque fois qu’une mesure est effectuée. Une fois la source du bruit identifiée, l’ADC a été remplacé par un autre capable de filtrer les oscillations à 60 Hz. Cela a réussi à éliminer le bruit.

Actuellement, Irving travaille dans le Foster Lab modélisation des piles à combustible à l’aide d’un programme appelé ANSYS Fluent. Il s’agit d’un programme de dynamique des fluides computationnelle (CFD) qui utilise l’analyse par éléments finis pour résoudre des équations différentielles. Poursuivant son travail, Irving vise à apporter de nouvelles contributions au domaine du génie chimique.

Actuellement dans sa dernière année, il encourage les étudiants de premier cycle à poursuivre leurs propres recherches et à «ne pas avoir peur de parler aux professeurs». Il a ajouté: «Ce sont des gens, et ils peuvent sembler un peu effrayants, mais beaucoup d’entre eux sont heureux de travailler avec vous. N’ayez pas peur de vous impliquer dès le début. Après avoir obtenu son diplôme, Irving envisage de fréquenter une école supérieure et de poursuivre un doctorat. en génie chimique. «Je suis vraiment intéressé par les polymères et les matériaux souples et je prévois de poursuivre dans ce sens.»