Poco più di 15 anni da quando un paio di ricercatori nel Regno Unito hanno usato del nastro adesivo per isolare singoli strati atomici di carbonio, noto come grafene, da un pezzo di grafite, la loro scoperta, vincitrice del premio Nobel, ha alimentato una rivoluzione nella ricerca e sviluppo di materiali ultrasottili.

Il grafene e altri materiali "2D" atomicamente sottili mostrano proprietà esotiche che i ricercatori sperano di sfruttare per una vasta gamma di applicazioni, da transistor più piccoli confezionati in processori per computer più potenti e compatti, a sensori più piccoli e precisi, display digitali flessibili, e una nuova ondata di computer quantistici.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia hanno contribuito a far progredire questa ricerca sui materiali ultrasottili su diversi fronti, arruolare strumenti e tecniche specializzati per realizzarli e studiarne la struttura e le proprietà su scala nanometrica e atomica.

Ora una società con sede in California chiamata GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) si sta muovendo verso la commercializzazione della tecnologia audio basata sul grafene sviluppata dai ricercatori del Berkeley Lab e dell'UC Berkeley nel tentativo di stimolare una rivoluzione audio.

Ramesh Ramchandani, CEO di GraphAudio, ha affermato che l'obiettivo dell'azienda è utilizzare la tecnologia autorizzata per produrre componenti di grafene che altre aziende incorporano nei loro prodotti.

Ha detto che si aspetta che la tecnologia di GraphAudio, che potrebbe essere disponibile per i consumatori entro uno o due anni, sarà costituita da componenti in grafene in cuffie auricolari e amplificatori integrati in prodotti realizzati da produttori affermati di prodotti audio.

La tecnologia concessa in licenza da Berkeley Lab nel 2016, che riguarda l'uso del grafene in un componente che produce suono noto come trasduttore, potrebbe trasformare una varietà di dispositivi, compresi i relatori, auricolari e cuffie, microfoni, sensori per veicoli autonomi, e sistemi ad ultrasuoni ed ecolocalizzazione.

"Lavoriamo da diversi anni su materiali e strutture a base di grafene, e questo trasduttore è una delle applicazioni che ne è scaturita, " ha detto Alex Zettl, uno scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab e un professore di fisica all'UC Berkeley che è un co-inventore della tecnologia autorizzata da GraphAudio. L'altro inventore è Qin Zhou, un ex ricercatore post-dottorato del Berkeley Lab che ora è assistente professore presso l'Università del Nebraska-Lincoln.

Il trasduttore sviluppato attraverso la ricerca del loro team utilizza un piccolo, pellicola di grafene spessa più strati chiamata membrana che converte i segnali elettrici in suoni.

"È un po' come una pelle di tamburo, con una cornice circolare e la membrana tesa su di essa, " Ha detto Zettl. La membrana di grafene misura circa un centimetro di diametro. La membrana e il telaio di supporto sono inseriti tra elettrodi a base di silicio che sono guidati con tensioni alternate.

I campi elettrici fanno vibrare la membrana di grafene e creano suoni in modo efficiente, modo controllato. Questo disegno, noto come trasduttore elettrostatico, richiede meno parti e molta meno energia rispetto ai design più convenzionali, che possono richiedere bobine elettriche e magneti.

"Quando lo guidiamo con un segnale audio elettrico, funge da altoparlante, " ha detto Zettl.

In alcune popolari cuffie intrauricolari, solo il 10% circa dell'energia elettrica viene convertita in suono mentre il resto viene disperso sotto forma di calore. Il trasduttore di grafene, anche se, converte circa il 99% dell'energia in suono, Egli ha detto.

Anche, il trasduttore in grafene è quasi privo di distorsioni e ha una risposta estremamente "piatta" su una gamma molto ampia di frequenze sonore, anche ben oltre ciò che l'orecchio umano è in grado di udire. Ciò significa che il suono è di uguale qualità su un'ampia gamma di alte e basse frequenze, "non solo nella banda audio, ma dal subsonico fino all'ultrasuono, " ha detto Zettl. "Questo è praticamente senza precedenti."

A causa di questa ampia larghezza di banda, il trasduttore a base di grafene potrebbe essere utilizzato per sistemi di ecolocalizzazione per comunicazioni sottomarine, sistemi ad ultrasuoni per localizzare i sopravvissuti in un ambiente cosparso di macerie, e per l'imaging di alta qualità dei feti umani nell'utero, come esempi.

E le stesse proprietà che fanno funzionare bene il trasduttore in grafene negli altoparlanti possono anche creare microfoni di alta qualità, Zettl ha notato. "Abbiamo dimostrato entrambe le tecnologie nel nostro laboratorio. Entrambe hanno il potenziale per essere commercializzate".

Ramchandani di GraphAudio ha affermato che le cuffie e i microfoni campione di GraphAudio che l'azienda ha mostrato al Consumer Electronics Show di gennaio hanno portato ad alcune discussioni produttive con potenziali partner, e alcune esperienze di consumo che ha detto hanno evocato una risposta "Wow".

L'azienda afferma che la qualità del suono della sua tecnologia è così cristallina che è possibile distinguere i toni di un singolo strumento da un'orchestra sinfonica.

Ramchandani ha osservato che la tecnologia televisiva a schermo piatto ha praticamente sostituito i televisori a tubo catodico più ingombranti e pesanti, e si aspetta lo stesso tipo di trasformazione nei prodotti audio.

Tra i prodotti che potrebbero emergere dalla tecnologia su licenza di GraphAudio ci sono sottili altoparlanti per auto incorporati nel soffitto interno di un veicolo per una migliore esperienza di suono surround, e sensori per auto migliorati che si basano sull'ecolocalizzazione bidirezionale per evitare collisioni tra veicoli.

Zettl ha affermato che il suo team continua i suoi sforzi di ricerca e sviluppo con materiali ultrasottili e nanostrutture.

I membri del suo team hanno specialità che vanno dalla chimica e fisica all'ingegneria meccanica e alla scienza dei materiali, e i ricercatori sono utenti abituali della Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura scientifica su nanoscala; e la sorgente di luce avanzata, che produce fasci di luce che possono essere utilizzati per studiare i materiali su scale minuscole.

"Non sarei in grado di fare nulla di questo lavoro senza gli studenti e i ricercatori post-dottorato e le strutture che sono qui al Berkeley Lab, " ha detto Zettl.

I membri del suo team di ricerca utilizzano abitualmente microscopi a risoluzione atomica presso la Molecular Foundry per esplorare la struttura di materiali ultrasottili, Per esempio. E i membri del team utilizzano anche i raggi X prodotti dall'Advanced Light Source per esaminare altre proprietà dei materiali che potrebbero renderli adatti a particolari applicazioni, ha notato.

Una nuova spinta nella ricerca del suo team consiste nell'esplorare come realizzare nuovi tipi di trasduttori meccanici con materiali ultrasottili realizzati con proprietà elastiche regolabili, abilitate da fori o fessure su nanoscala modellati con precisione.

Oltre al loro utilizzo in nuove configurazioni di trasduttori, tali membrane perforate potrebbero anche essere utili per applicazioni che vanno dalla filtrazione dell'acqua al sequenziamento genetico.

"Essere in grado di lavorare su cose che hanno applicazioni reali e benefici pubblici, è bello vedere che la piena progressione, " ha detto Zettle. "Sono entusiasta di essere in grado di vedere queste applicazioni venire fuori da questo. Per me questo è personalmente gratificante".

L'azienda ha dimostrato la tecnologia al Consumer Electronics Show (CES) del 2020 a gennaio.