Grafenark muliggør ultralydssendere

University of California, Berkeley, fysikere har brugt grafen til at bygge lette ultralydshøjttalere og mikrofoner, gør det muligt for folk at efterligne flagermus eller delfiners evne til at bruge lyd til at kommunikere og måle afstanden og hastigheden af ​​objekter omkring dem.

Mere praktisk, de trådløse ultralydsenheder supplerer standard radiotransmission ved hjælp af elektromagnetiske bølger i områder, hvor radio er upraktisk, såsom under vandet, men med langt større troskab end nuværende ultralyds- eller ekkolodsenheder. De kan også bruges til at kommunikere gennem objekter, såsom stål, at elektromagnetiske bølger ikke kan trænge igennem.

"Havpattedyr og flagermus bruger højfrekvent lyd til ekkolokalisering og kommunikation, men mennesker har bare ikke fuldt ud udnyttet det før, efter min mening, fordi teknologien ikke har været der, " sagde UC Berkeley fysiker Alex Zettl. "Indtil nu, vi har ikke haft gode bredbånds ultralydssendere eller -modtagere. Disse nye enheder er en teknologisk mulighed."

Højttalere og mikrofoner bruger begge membraner, typisk lavet af papir eller plastik, der vibrerer for at producere eller registrere lyd, henholdsvis. Membranerne i de nye enheder er grafenplader på kun et atom tykke, som har den rigtige kombination af stivhed, styrke og let vægt til at reagere på frekvenser lige fra subsonisk (under 20 hertz) til ultralyd (over 20 kilohertz). Mennesker kan høre fra 20 hertz op til 20, 000 hertz, hvorimod flagermus kun hører i kilohertz-området, fra 9 til 200 kilohertz. Grafemhøjttalerne og mikrofonerne fungerer fra et godt stykke under 20 hertz til over 500 kilohertz.

Grafen består af kulstofatomer lagt i en sekskantet, hønsenet arrangement, som skaber en hård, letvægtsark med unikke elektroniske egenskaber, der har begejstret fysikverdenen i de sidste 20 eller flere år.

"Der er meget snak om at bruge grafen i elektronik og små nanoskalaenheder, men de er alle et stykke væk, " sagde Zettl, som er seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory og medlem af Kavli Energy NanoSciences Institute, drives i fællesskab af UC Berkeley og Berkeley Lab. "Mikrofonen og højttaleren er nogle af de enheder, der er tættest på kommerciel levedygtighed, fordi vi har fundet ud af, hvordan man laver grafen og monterer det, og det er nemt at skalere op."

Zettl, UC Berkeley postdoc Qin Zhou og kolleger beskriver deres grafenmikrofon og ultralydsradio i et papir, der vises online i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Radioer og afstandsmålere

To år siden, Zhou byggede højttalere ved hjælp af et ark grafen til membranen, og siden da har udviklet det elektroniske kredsløb til at bygge en mikrofon med en lignende grafenmembran.

En stor fordel ved grafen er, at det atomtykke ark er så let, at det reagerer med det samme på en elektronisk puls, i modsætning til nutidens piezoelektriske mikrofoner og højttalere. Dette er praktisk, når du bruger ultralydssendere og -modtagere til at transmittere store mængder information gennem mange forskellige frekvenskanaler samtidigt, eller måle afstand, som i ekkolodsapplikationer.

"Fordi vores membran er så let, den har en ekstrem bred frekvensgang og er i stand til at generere skarpe impulser og måle afstand meget mere præcist end traditionelle metoder, " sagde Zhou.

Grafenmembraner er også mere effektive, konvertere over 99 procent af den energi, der driver enheden til lyd, hvorimod nutidens konventionelle højttalere og hovedtelefoner kun konverterer 8 procent til lyd. Zettl forventer, at i fremtiden, kommunikationsenheder som mobiltelefoner vil ikke kun bruge elektromagnetiske bølger – radio – men også akustisk eller ultralydslyd, som kan være meget retningsbestemt og lang rækkevidde.

"Graphene er et magisk materiale; det rammer alle de søde punkter for en kommunikationsenhed, " han sagde.

Flagermus kvidrer

Da Zhou fortalte sin kone, Jinglin Zheng, om ultralydsmikrofonen, hun foreslog, at han prøvede at fange lyden af ​​flagermus, der kvidrer ved frekvenser, der er for høje til, at mennesker kan høre. Så de slæbte mikrofonen til en park i Livermore og tændte den. Da de sænkede optagelsen til en tiendedel af normal hastighed, at konvertere de høje frekvenser til et lydområde, som mennesker kan høre, de var forbløffede over kvaliteten og troskaben af ​​flagermus-vokaliseringerne.

"Dette er let nok til at monteres på et flagermus og optage, hvad flagermusen kan høre, " sagde Zhou.

Flagermusekspert Michael Yartsev, en nyansat UC Berkeley assisterende professor i bioteknik og medlem af Helen Wills Neuroscience Institute, sagde, "Disse nye mikrofoner vil være utrolig værdifulde til at studere auditive signaler ved høje frekvenser, som dem, der bruges af flagermus. Brugen af ​​grafen gør det muligt for forfatterne at opnå meget flade frekvensresponser i en bred vifte af frekvenser, inklusive ultralyd, og vil tillade en detaljeret undersøgelse af de auditive impulser, der bruges af flagermus."

Zettl bemærkede, at audiofile også ville sætte pris på grafenhøjttalere og hovedtelefoner, som har en flad respons over hele det hørbare frekvensområde.

"For en del år siden denne enhed ville have været nærmest umulig at bygge på grund af vanskeligheden ved at lave fritstående grafenplader, " sagde Zettl. "Men i løbet af det sidste årti er grafensamfundet gået sammen for at udvikle teknikker til at vokse, transportere og montere grafen, så det er nu meget ligetil at bygge en enhed som denne; designet er enkelt."