Università della California, Berkeley, i fisici hanno utilizzato il grafene per costruire altoparlanti e microfoni a ultrasuoni leggeri, consentire alle persone di imitare la capacità dei pipistrelli o dei delfini di utilizzare il suono per comunicare e misurare la distanza e la velocità degli oggetti intorno a loro.

Più praticamente, i dispositivi a ultrasuoni wireless completano la trasmissione radio standard utilizzando onde elettromagnetiche in aree in cui la radio non è pratica, come sott'acqua, ma con una fedeltà di gran lunga maggiore rispetto agli attuali dispositivi a ultrasuoni o sonar. Possono essere utilizzati anche per comunicare attraverso oggetti, come l'acciaio, che le onde elettromagnetiche non possono penetrare.

"I mammiferi marini e i pipistrelli usano suoni ad alta frequenza per l'ecolocalizzazione e la comunicazione, ma gli umani non l'hanno mai sfruttato appieno prima, secondo me, perché la tecnologia non c'è stata, ", ha detto il fisico dell'Università di Berkeley Alex Zettl. "Fino ad ora, non abbiamo avuto buoni trasmettitori o ricevitori ad ultrasuoni a banda larga. Questi nuovi dispositivi sono un'opportunità tecnologica".

Sia gli altoparlanti che i microfoni utilizzano diaframmi, tipicamente in carta o plastica, che vibrano per produrre o rilevare il suono, rispettivamente. I diaframmi nei nuovi dispositivi sono fogli di grafene dello spessore di un solo atomo che hanno la giusta combinazione di rigidità, forza e leggerezza per rispondere a frequenze che vanno dal subsonico (sotto i 20 hertz) agli ultrasuoni (sopra i 20 kilohertz). Gli umani possono sentire da 20 hertz fino a 20, 000 hertz, mentre i pipistrelli sentono solo nella gamma dei kilohertz, da 9 a 200 kilohertz. Gli altoparlanti e i microfoni in grafema funzionano da ben meno di 20 hertz a oltre 500 kilohertz.

Il grafene è costituito da atomi di carbonio disposti in una forma esagonale, disposizione del filo di pollo, che crea un duro, foglio leggero con proprietà elettroniche uniche che hanno entusiasmato il mondo della fisica negli ultimi 20 o più anni.

"Si parla molto dell'uso del grafene nell'elettronica e in piccoli dispositivi su scala nanometrica, ma sono tutti molto lontani, " disse Zettl, che è uno scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e membro del Kavli Energy NanoSciences Institute, gestito congiuntamente da UC Berkeley e Berkeley Lab. "Il microfono e l'altoparlante sono alcuni dei dispositivi più vicini alla fattibilità commerciale, perché abbiamo capito come fare il grafene e montarlo, ed è facile da scalare."

Zettl, Il borsista post-dottorato dell'UC Berkeley Qin Zhou e colleghi descrivono il loro microfono al grafene e la radio ad ultrasuoni in un documento apparso online questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Radio e telemetri

Due anni fa, Zhou costruì altoparlanti usando un foglio di grafene per il diaframma, e da allora ha sviluppato i circuiti elettronici per costruire un microfono con un diaframma simile al grafene.

Un grande vantaggio del grafene è che il foglio dello spessore di un atomo è così leggero che risponde immediatamente a un impulso elettronico, a differenza dei microfoni e degli altoparlanti piezoelettrici di oggi. Ciò è utile quando si utilizzano trasmettitori e ricevitori a ultrasuoni per trasmettere contemporaneamente grandi quantità di informazioni attraverso molti canali di frequenza diversi, o per misurare la distanza, come nelle applicazioni sonar.

"Perché la nostra membrana è così leggera, ha una risposta in frequenza estremamente ampia ed è in grado di generare impulsi acuti e misurare la distanza in modo molto più accurato rispetto ai metodi tradizionali, " Disse Zhu.

Le membrane di grafene sono anche più efficienti, convertire oltre il 99 percento dell'energia che guida il dispositivo in suono, mentre gli altoparlanti e le cuffie convenzionali di oggi convertono solo l'8% in suono. Zettl prevede che in futuro, dispositivi di comunicazione come i cellulari utilizzeranno non solo onde elettromagnetiche - radio - ma anche suoni acustici o ultrasonici, che può essere altamente direzionale e a lungo raggio.

"Il grafene è un materiale magico; colpisce tutti i punti deboli per un dispositivo di comunicazione, " Egli ha detto.

Pipistrello che cinguetta

Quando Zhou disse a sua moglie, Jinglin Zheng, sul microfono a ultrasuoni, gli suggerì di provare a catturare il suono dei pipistrelli che cinguettavano a frequenze troppo alte per essere udite dagli umani. Quindi hanno portato il microfono in un parco a Livermore e l'hanno acceso. Quando hanno rallentato la registrazione a un decimo della velocità normale, convertire le alte frequenze in una gamma audio che gli umani possono sentire, sono rimasti stupiti dalla qualità e dalla fedeltà delle vocalizzazioni dei pipistrelli.

"Questo è abbastanza leggero da poter essere montato su un pipistrello e registrare ciò che il pipistrello può sentire, " Disse Zhu.

L'esperto di pipistrelli Michael Yartsev, un assistente professore di bioingegneria della UC Berkeley appena assunto e membro dell'Helen Wills Neuroscience Institute, disse, "Questi nuovi microfoni saranno incredibilmente preziosi per studiare i segnali uditivi alle alte frequenze, come quelli usati dai pipistrelli. L'uso del grafene consente agli autori di ottenere risposte in frequenza molto piatte in un'ampia gamma di frequenze, compresi gli ultrasuoni, e consentirà uno studio dettagliato degli impulsi uditivi utilizzati dai pipistrelli."

Zettl ha notato che gli audiofili apprezzerebbero anche gli altoparlanti e le cuffie in grafene, che hanno una risposta piatta su tutta la gamma di frequenze udibili.

"Alcuni anni fa, questo dispositivo sarebbe stato quasi impossibile da costruire a causa della difficoltà di realizzare fogli di grafene indipendenti, " ha detto Zettl. "Ma negli ultimi dieci anni la comunità del grafene si è riunita per sviluppare tecniche per crescere, trasportare e montare il grafene, quindi costruire un dispositivo come questo è ora molto semplice; il design è semplice."