Troy Bouman si allunga, preme play, e l'altoparlante seduto sulla scrivania inizia a suonare la canzone della lotta universitaria. Ma questo non è un normale altoparlante. Questo è un trasduttore di nanotubi di carbonio e produce suoni con il calore.

Bouman e Mahsa Asgarisabet, entrambi studenti laureati alla Michigan Technological University, ha recentemente vinto un Best of Show Award alla Noise and Vibration Conference and Exhibition 2015 di SAE International per la loro ricerca acustica sui diffusori a nanotubi di carbonio. Lavorano con Andrew Barnard, un assistente professore di ingegneria meccanica presso Michigan Tech, per scoprire la fisica fondamentale di questi insoliti altoparlanti.

Pur essendo ancora una tecnologia alle prime armi, le potenziali applicazioni sono pressoché infinite. Tutto, dallo sbrinamento delle pale degli elicotteri alla realizzazione di altoparlanti più leggeri, fino alla doppia funzione di altoparlante per auto e filamento riscaldante per gli sbrinatori del parabrezza.

Come emettono il suono i nanotubi di carbonio

L'altoparlante indipendente in sé è piuttosto umile. Infatti, è un po' fragile. Una base in teflon sostiene due aste di rame, e quello che sembra un panno nero trasparente si estende tra di loro.

"Una piccola raffica di vento li attraversa, e sarebbero semplicemente volati via, " dice Barnard. "Ma potresti scuoterli quanto vuoi, dal momento che hanno una massa così bassa, praticamente non c'è inerzia."

Il materiale è forte da un lato all'altro, perché ciò che l'occhio nudo non può vedere è l'insieme di nanotubi neri che compongono quel film sottile.

I nanotubi sono strutture simili a paglia con pareti dello spessore di un solo atomo di carbonio e possono riscaldarsi e raffreddarsi fino a 100, 000 volte al secondo. A confronto, un foglio di platino spesso circa 700 nanometri può solo riscaldarsi e raffreddarsi circa 16 volte al secondo. Il riscaldamento e il raffreddamento dei nanotubi di carbonio provocano l'espansione e la contrazione dell'aria adiacente. Questo spinge le molecole d'aria intorno e crea onde sonore.

"Gli altoparlanti tradizionali utilizzano una bobina mobile, ed è così che creano onde sonore, " dice Bouman. "C'è una fisica completamente diversa dietro gli altoparlanti con nanotubi di carbonio".

E a causa di queste differenze, gli altoparlanti in nanotubi di carbonio quasi senza peso producono il suono in un modo che inizialmente non è compreso dalle nostre orecchie. La ricerca di Bouman si concentra sull'elaborazione delle onde sonore per renderle più intelligibili.

Acustica

Ad oggi, la maggior parte della ricerca sui nanotubi di carbonio è stata dal lato dei materiali. Gli altoparlanti con nanotubi di carbonio sono stati scoperti casualmente nel 2008, dimostrando che l'idea era praticabile. Come ingegneri meccanici che studiano acustica, Barnardo, Bouman e Asgarisabet stanno perfezionando la tecnologia.

"Sono molto leggere e non hanno parti mobili, "Asgarisabet dice, che è l'ideale per il suo lavoro nel controllo attivo del rumore, dove i film di nanotubi di carbonio potrebbero annullare il rumore del motore negli aeroplani o il rumore della strada nelle automobili. Ma prima, lei dice, "Voglio concentrarmi prima su come ottenere un buon modello termico degli altoparlanti".

Avere un modello accurato, Bouman aggiunge, è un riflesso della comprensione degli stessi altoparlanti in nanotubi di carbonio. Il lavoro di modellazione che lui e Asgarisabet stanno facendo getta le basi per creare nuove applicazioni per la tecnologia.

Mentre rimangono molte ricerche per risolvere la fisica alla base degli altoparlanti con nanotubi di carbonio, essere in grado di utilizzare sia le proprietà termiche che acustiche li rende versatili. Anche la magrezza e l'assenza di gravità sono attraenti.

"Sono fondamentalmente altoparlanti conformabili, " dice Barnard. La pellicola sottile potrebbe essere drappeggiata sui cruscotti, finestre, muri, sedili e forse anche vestiti. Per portare gli altoparlanti a quel punto, Barnard e i suoi studenti continueranno a perfezionare l'efficienza e la robustezza della tecnologia, un film sottile di nanotubi di carbonio alla volta.