(Phys.org) — Le reti di macchine su scala nanometrica offrono interessanti potenziali applicazioni in medicina, industria, protezione e difesa dell'ambiente, ma fino ad ora c'è stato un problema molto piccolo:la capacità limitata delle antenne su nanoscala fabbricate con componenti metallici tradizionali.

Con antenne realizzate con materiali convenzionali come il rame, la comunicazione tra nanomacchine a bassa potenza sarebbe praticamente impossibile. Ma sfruttando le proprietà elettroniche uniche del materiale noto come grafene, i ricercatori ora credono di essere sulla buona strada per collegare dispositivi alimentati da piccole quantità di energia recuperata.

Basato su una rete a nido d'ape di atomi di carbonio, il grafene potrebbe generare un tipo di onda di superficie elettronica che consentirebbe alle antenne lunghe solo un micron e larghe da 10 a 11 nanometri di svolgere il lavoro di antenne molto più grandi. Mentre il funzionamento delle nano-antenne al grafene deve ancora essere dimostrato, i ricercatori affermano che i loro modelli e simulazioni mostrano che le nanoreti che utilizzano il nuovo approccio sono fattibili con il materiale alternativo.

"Stiamo sfruttando la peculiare propagazione degli elettroni nel grafene per realizzare un'antenna molto piccola che può irradiare a frequenze molto più basse rispetto alle classiche antenne metalliche delle stesse dimensioni, " ha detto Ian Akyildiz, un professore della Ken Byers Chair in Telecomunicazioni presso la School of Electrical and Computer Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Crediamo che questo sia solo l'inizio di un nuovo paradigma di networking e comunicazione basato sull'uso del grafene".

Patrocinato dalla National Science Foundation, la ricerca è prevista per essere riportata nella rivista IEEE Journal of Selected Areas in Communications ( IEEE JSAC ). Oltre alle antenne su nanoscala, i ricercatori stanno anche lavorando su ricetrasmettitori su nanoscala a base di grafene e sui protocolli di trasmissione che sarebbero necessari per la comunicazione tra nanomacchine.

La sfida della comunicazione è che su scala micron, le antenne metalliche dovrebbero funzionare a frequenze di centinaia di terahertz. Sebbene tali frequenze possano offrire vantaggi in termini di velocità di comunicazione, la loro portata sarebbe limitata dalle perdite di propagazione a pochi micrometri. E richiederebbero molta potenza, più potenza di quanta ne abbiano le nanomacchine.

Akyildiz ha studiato le nanoreti dalla fine degli anni '90, e aveva concluso che la tradizionale comunicazione elettromagnetica tra queste macchine potrebbe non essere possibile. Ma poi lui e il suo dottorato di ricerca. alunno, Josep Jornet, che si è laureato nell'agosto 2013 ed è ora assistente professore presso la State University di New York a Buffalo, ha iniziato a leggere delle straordinarie proprietà del grafene. Erano particolarmente interessati a come si comportano gli elettroni nei fogli a strato singolo del materiale.

"Quando gli elettroni nel grafene sono eccitati da un'onda elettromagnetica in arrivo, ad esempio, iniziano a muoversi avanti e indietro, " ha spiegato Akyildiz. "A causa delle proprietà uniche del grafene, questa oscillazione globale della carica elettrica si traduce in un'onda elettromagnetica confinata sopra lo strato di grafene".

Nota tecnicamente come onda di polaritone plasmonico di superficie (SPP), l'effetto consentirà alle nano-antenne di operare nella fascia bassa della gamma di frequenze terahertz, tra 0,1 e 10 terahertz – invece dei 150 terahertz richiesti dalle tradizionali antenne in rame su scala nanometrica. Per la trasmissione, le onde SPP possono essere create iniettando elettroni nello strato dielettrico sotto il foglio di grafene.

Materiali come oro, argento e altri metalli nobili possono anche supportare la propagazione delle onde SPP, ma solo a frequenze molto più alte del grafene. I materiali convenzionali come il rame non supportano le onde.

Consentendo la propagazione elettromagnetica a frequenze terahertz inferiori, le onde SPP richiedono meno energia, mettendole nel raggio di ciò che potrebbe essere fattibile per le nanomacchine gestite dalla tecnologia di raccolta dell'energia introdotta da Zhong Lin Wang, un professore presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech.

"Con questa antenna, possiamo ridurre la frequenza di due ordini di grandezza e ridurre il fabbisogno energetico di quattro ordini di grandezza, " ha detto Jornet. "Utilizzando questa antenna, crediamo che le tecniche di raccolta dell'energia sviluppate dal Dr. Wang ci darebbero abbastanza potenza per creare un collegamento di comunicazione tra le nanomacchine".

Le nanomacchine nella rete che Akyildiz e Jornet prevedono includerebbero diversi componenti integrati. Oltre ai nanogeneratori per la raccolta di energia, ci sarebbe un rilevamento su scala nanometrica, elaborazione e memoria, tecnologie che sono in fase di sviluppo da parte di altri gruppi. Il lavoro di antenna e ricetrasmettitore su nanoscala svolto presso la Georgia Tech consentirebbe ai dispositivi di comunicare le informazioni che rilevano ed elaborano al mondo esterno.

"Ognuno di questi componenti avrebbe una misurazione su scala nanometrica, ma in totale avremmo una macchina che misura pochi micrometri, " ha detto Jornet. "Ci sarebbero molti compromessi nell'uso e nelle dimensioni dell'energia".

Oltre a dare alle nanomacchine la capacità di comunicare, centinaia o migliaia di set antenna-ricetrasmettitore al grafene potrebbero essere combinati per aiutare i telefoni cellulari a grandezza naturale e i laptop connessi a Internet a comunicare più velocemente.

"La banda terahertz può aumentare la velocità dei dati attuali nelle reti wireless di oltre due ordini di grandezza, " Akyildiz ha osservato. "Le velocità di trasmissione dati negli attuali sistemi cellulari sono fino a un gigabit al secondo nelle reti avanzate LTE o 10 gigabit al secondo nei cosiddetti sistemi a onde millimetriche o 60 gigahertz. Ci aspettiamo velocità di trasmissione dati nell'ordine dei terabit al secondo nella banda dei terahertz".

Le proprietà uniche del grafene, Akyildiz dice, sono fondamentali per questa antenna e per altri futuri dispositivi elettronici.

"Il grafene è un nanomateriale molto potente che dominerà le nostre vite nel prossimo mezzo secolo, "La comunità europea sosterrà un consorzio molto grande che coinvolge molte università e aziende con un investimento di un miliardo di euro per condurre ricerche su questo materiale".

I ricercatori hanno finora valutato numerosi progetti di nano-antenna utilizzando tecniche di modellazione e simulazione nel loro laboratorio. Il prossimo passo sarà fabbricare effettivamente una nano-antenna al grafene e farla funzionare utilizzando un ricetrasmettitore anch'esso basato sul grafene.

"Il nostro progetto mostra che il concetto di nano-antenne a base di grafene è fattibile, soprattutto se si prendono in considerazione modelli molto accurati di trasporto di elettroni nel grafene, " ha detto Akyildiz. "Molte sfide rimangono aperte, ma questo è un primo passo verso la creazione di nanomacchine avanzate con molte applicazioni in campo biomedico, ambientale, industriale e militare».