Un team di ricercatori della Columbia Engineering, guidato dal professore di ingegneria meccanica James Hone e dal professore di ingegneria elettrica Kenneth Shepard, ha sfruttato le proprietà speciali del grafene, la sua resistenza meccanica e la conduzione elettrica, e ha creato un sistema nanomeccanico in grado di creare segnali FM, in effetti il più piccolo trasmettitore radio FM al mondo. Lo studio è pubblicato online il 17 novembre in Nanotecnologia della natura .
"Questo lavoro è significativo in quanto dimostra un'applicazione del grafene che non può essere ottenuta utilizzando materiali convenzionali, " Dice Hone. "Ed è un primo passo importante nell'avanzamento dell'elaborazione del segnale wireless e nella progettazione di dispositivi ultrasottili, cellulari efficienti. I nostri dispositivi sono molto più piccoli di qualsiasi altra sorgente di segnali radio, e può essere inserito nello stesso chip utilizzato per l'elaborazione dei dati."
Grafene, un singolo strato atomico di carbonio, è il materiale più resistente che l'uomo conosca, e ha anche proprietà elettriche superiori al silicio utilizzato per realizzare i chip che si trovano nell'elettronica moderna. La combinazione di queste proprietà rende il grafene un materiale ideale per i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), che sono versioni ridotte dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) ampiamente utilizzati per il rilevamento delle vibrazioni e dell'accelerazione. Per esempio, Hone spiega, I sensori MEMS rilevano l'inclinazione del tuo smartphone o tablet per ruotare lo schermo.
In questo nuovo studio, il team ha sfruttato la "elasticità" meccanica del grafene per regolare la frequenza di uscita del loro oscillatore personalizzato, creando una versione nanomeccanica di un componente elettronico noto come oscillatore controllato in tensione (VCO). Con un VCO, spiega Hone, è facile generare un segnale modulato in frequenza (FM), esattamente ciò che viene utilizzato per le trasmissioni radio FM. Il team ha costruito un NEMS al grafene la cui frequenza era di circa 100 megahertz, che si trova proprio nel mezzo della banda radio FM (da 87,7 a 108 MHz). Hanno usato segnali musicali a bassa frequenza (sia toni puri che canzoni da un iPhone) per modulare il segnale portante a 100 MHz dal grafene, e quindi recuperato i segnali musicali utilizzando un normale ricevitore radio FM.
"Questo dispositivo è di gran lunga il sistema più piccolo in grado di creare tali segnali FM, "dice Hono.
Sebbene i NEMS al grafene non verranno utilizzati per sostituire i trasmettitori radio convenzionali, hanno molte applicazioni nell'elaborazione del segnale wireless. spiega Shepard, "A causa del continuo restringimento dei circuiti elettrici noto come 'Legge di Moore', i telefoni cellulari di oggi hanno più potenza di calcolo rispetto ai sistemi che occupavano intere stanze. Però, alcuni tipi di dispositivi, in particolare quelli coinvolti nella creazione e nell'elaborazione di segnali a radiofrequenza, sono molto più difficili da miniaturizzare. Questi componenti "off-chip" occupano molto spazio ed energia elettrica. Inoltre, la maggior parte di questi componenti non può essere facilmente sintonizzata in frequenza, che richiedono più copie per coprire la gamma di frequenze utilizzate per la comunicazione wireless."
I Graphene NEMS possono affrontare entrambi i problemi:sono molto compatti e facilmente integrabili con altri tipi di elettronica, e la loro frequenza può essere sintonizzata su un'ampia gamma a causa della straordinaria resistenza meccanica del grafene.
"C'è una lunga strada da percorrere verso applicazioni reali in questo settore, " nota Hone, "ma questo lavoro è un primo passo importante. Siamo entusiasti di aver dimostrato con successo come questo meraviglioso materiale può essere utilizzato per ottenere un progresso tecnologico pratico, qualcosa di particolarmente gratificante per noi come ingegneri".
I gruppi Hone e Shepard stanno ora lavorando per migliorare le prestazioni degli oscillatori al grafene per ridurre il rumore. Allo stesso tempo, stanno anche cercando di dimostrare l'integrazione del grafene NEMS con i circuiti integrati al silicio, rendendo il design dell'oscillatore ancora più compatto.
