(Phys.org) — Nell'ultimo anno, i ricercatori della Tsinghua University di Pechino hanno ascoltato musica su un laptop attraverso un paio di auricolari insoliti. Sebbene gli auricolari sembrino normali, non contengono il tipico altoparlante a bobina metallica che si trova nella maggior parte degli auricolari, ma piuttosto un chip fatto di molti filati di nanotubi di carbonio (CNT) simili a stringhe con scanalature incise al loro interno. Perché sono facili da fabbricare, funzionare con 60 mW di potenza, e fornire una qualità del suono chiara, i chip basati su CNT potrebbero essere utilizzati come componenti in un'ampia varietà di altoparlanti, compresi quelli che si trovano nei telefoni cellulari e nei computer portatili.

"Il chip termoacustico CNT è a base di silicio, senza vibrazioni, magro, e senza magneti, "Ha detto Yang Wei dell'Università Tsinghua Phys.org . "Introduce la nanotecnologia basata su CNT nell'industria dei semiconduttori convenzionale. Questa svolta ridurrà notevolmente i costi e quindi promuoverà la commercializzazione della nanotecnologia. Dispositivi più funzionalizzati possono essere integrati nel chip termoacustico, in quanto si basa su un wafer di silicio. L'altoparlante CNT può funzionare a lungo grazie alla sua caratteristica senza vibrazioni. Il ridotto spessore permette di soddisfare la richiesta di miniaturizzazione dei dispositivi. Lo svantaggio è la bassa efficienza, come indicato dalla sensibilità. Ma il consumo energetico degli auricolari CNT è accettabile per l'elettronica di consumo".

Nel loro articolo pubblicato in un recente numero di Nano lettere , i ricercatori spiegano che gli altoparlanti CNT funzionano in modo completamente diverso dagli altoparlanti convenzionali. La maggior parte degli altoparlanti produce suoni mediante la vibrazione meccanica di un materiale fisico, come il metallo, carta, o plastica, che poi fa vibrare le particelle d'aria circostanti. In contrasto, gli altoparlanti CNT producono suoni a causa di una corrente alternata che riscalda periodicamente l'array di filati CNT, che crea onde di temperatura nell'aria circostante. L'espansione e la contrazione termica dell'aria circostante genera il suono. Nonostante le differenze tra questi due metodi di produzione del suono, il suono degli altoparlanti CNT è essenzialmente lo stesso di quello generato dalle vibrazioni meccaniche.

Gli effetti termoacustici erano noti fin dal 1917, quando i fisici H.D. Arnold e I.B. Crandall, lavorando presso il Laboratorio di Ricerca dell'American Telephone and Telegraph Co. e della Western Electric Company, Inc., che in seguito divenne Bell Labs, osservò che l'alimentazione di una corrente elettrica in un sottile conduttore poteva produrre suoni e agire come un termofono.

Però, non ci sono stati progressi significativi sugli effetti termoacustici fino al 2008, quando un team di ricercatori cinesi, tra cui alcuni degli autori del presente documento, fabbricato un altoparlante termoacustico costituito da un pezzo di pellicola CNT allineata. I ricercatori hanno scoperto che l'utilizzo del materiale CNT al posto di un conduttore convenzionale può amplificare notevolmente l'effetto termoacustico grazie alla capacità termica ultra ridotta del film CNT per unità di superficie. In questo modo, le proprietà su scala nanometrica dei film CNT hanno reso pratico il vecchio concetto di termofono.

Nel documento attuale, i fisici hanno sostituito il film CNT multiparete allineato con matrici di filati sottili CNT multiparete, che hanno un'elevata resistenza meccanica e una rapida risposta termica simile al film. Gli array di filati CNT sono stati sospesi su una serie di scanalature modellate su un wafer di silicio, e gli elettrodi d'argento sono stati incollati sui lati di ciascun chip. Gli scienziati hanno scoperto che il livello di pressione sonora dipende fortemente dalla profondità del solco, che qui variava da 5 a 200 um, con scanalature più profonde che forniscono livelli di pressione sonora più elevati.

I ricercatori hanno anche stabilito che, secondo la teoria delle onde di temperatura, un substrato o un altro oggetto che si trova all'interno di una lunghezza d'onda termica dell'array potrebbe causare perdite di calore e sopprimere il suono. Ma finché il substrato si trova ad almeno una lunghezza d'onda termica dall'array, non interferisce con la produzione del suono.

La dimensione di ogni chip termoacustico è 9,5 mm x 9,5 mm, delle dimensioni di un'unghia. Un singolo chip può sostituire l'altoparlante a bobina convenzionale in un auricolare, con il chip termoacustico che ha il vantaggio di essere molto più sottile della bobina. L'involucro degli auricolari convenzionali di solito ha piccoli fori sul retro per rilasciare la pressione generata dalla bobina vibrante. Però, questi fori non sono necessari per l'auricolare termoacustico, poiché non vi è alcuna componente vibrazionale, e i ricercatori hanno scoperto che sigillare questi fori riduce la dispersione del suono, soprattutto alle basse frequenze.

L'auricolare termoacustico in questa fase ha un'efficienza di 48 dB/mW, che non è efficiente come un auricolare convenzionale, che ha un valore di circa 100 dB/mW. Però, come hanno detto i fisici, il consumo energetico di 60 mW è adatto per dispositivi pratici.

I ricercatori hanno dimostrato che il chip termoacustico può essere assemblato in un circuito integrato e alimentato da una USB. Poiché il chip coinvolge un wafer di silicio, gli scienziati potrebbero confezionare il chip in un involucro standard a semiconduttore, che può essere facilmente assemblato nella scheda PCB mediante saldatura. Nel futuro, potrebbe essere possibile integrare funzionalità aggiuntive come dispositivi di memoria e lettori musicali.

I ricercatori hanno anche dimostrato un chip array da 4 pollici, composto da 69 chip su un wafer di silicio. Altoparlanti termoacustici più grandi potrebbero avere diverse applicazioni, che possono includere dispositivi acustici a lungo raggio e comunicazioni acustiche subacquee.

"Abbiamo dimostrato che un chip termoacustico CNT è adatto per essere applicato nell'elettronica di consumo, ma c'è ancora molto lavoro da fare per commercializzare questa tecnologia, " Yang Wei ha detto. "Faremo sforzi per ottimizzare il design del dispositivo e il design acustico e ridurre ulteriormente i costi. Una maggiore attenzione da parte dell'industria sarà utile per la promozione della tecnologia, poiché non esiste un circuito integrato specializzato per pilotare gli altoparlanti termoacustici, e l'auricolare CNT è ancora incompatibile con l'uscita audio convenzionale."

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