Физики Калифорнийского университета в Беркли использовали графен для создания легких ультразвуковых громкоговорителей и микрофонов, позволяющих людям имитировать способность летучих мышей или дельфинов использовать звук для общения и измерения расстояния и скорости объектов вокруг них.
Более практично, беспроводные ультразвуковые устройства дополняют стандартную радиопередачу с использованием электромагнитных волн в местах, где радио непрактично, например, под водой, но с гораздо большей точностью, чем современные ультразвуковые или сонарные устройства. Их также можно использовать для связи через такие объекты, как сталь, через которые электромагнитные волны не могут проникнуть.
«Морские млекопитающие и летучие мыши используют высокочастотный звук для эхолокации и общения, но, на мой взгляд, люди просто не использовали его в полной мере раньше, потому что технологии не было», - сказал физик Калифорнийского университета в Беркли Алекс Зеттл.. «До сих пор у нас не было хороших широкополосных ультразвуковых передатчиков или приемников. Эти новые устройства представляют собой технологическую возможность».
Как в динамиках, так и в микрофонах используются диафрагмы, обычно сделанные из бумаги или пластика, которые вибрируют для создания или обнаружения звука соответственно. Диафрагмы в новых устройствах представляют собой графеновые листы толщиной всего в один атом, обладающие правильной комбинацией жесткости, прочности и легкого веса, чтобы реагировать на частоты в диапазоне от дозвуковых (ниже 20 Гц) до ультразвуковых (выше 20 килогерц). Люди могут слышать от 20 до 20 000 герц, тогда как летучие мыши слышат только в килогерцовом диапазоне, от 9 до 200 килогерц. Графические громкоговорители и микрофоны работают от значительно ниже 20 Гц до более 500 кГц.
Графен состоит из атомов углерода, расположенных в форме шестиугольной сетки, что создает прочный и легкий лист с уникальными электронными свойствами, которые волновали мир физики в течение последних 20 или более лет.
«Много говорят об использовании графена в электронике и небольших наноустройствах, но до этого еще далеко», - сказал Зеттл, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и член Кавли. Институт энергетических нанонаук, управляемый совместно Калифорнийским университетом в Беркли и Berkeley Lab. «Микрофон и громкоговоритель являются одними из самых близких устройств к коммерческой жизнеспособности, потому что мы разработали, как сделать графен и смонтировать его, и его легко масштабировать».
Zettl, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Цинь Чжоу и его коллеги описывают свой графеновый микрофон и ультразвуковое радио в статье, опубликованной на этой неделе в Интернете в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Радио и дальномеры
Два года назад Чжоу построил громкоговорители, используя лист графена в качестве диафрагмы, и с тех пор разрабатывает электронную схему для создания микрофона с аналогичной графеновой диафрагмой.
Одним большим преимуществом графена является то, что лист толщиной в атом настолько легкий, что хорошо реагирует на различные частоты электронных импульсов, в отличие от сегодняшних пьезоэлектрических микрофонов и динамиков. Это удобно при использовании ультразвуковых передатчиков и приемников для одновременной передачи больших объемов информации по множеству различных частотных каналов или для измерения расстояния, например, в гидролокаторах.
«Поскольку наша мембрана очень легкая, она имеет чрезвычайно широкую частотную характеристику и способна генерировать острые импульсы и измерять расстояние гораздо точнее, чем традиционные методы», - сказал Чжоу.
Графеновые мембраны также более эффективны, преобразовывая более 99 процентов энергии, приводящей устройство в звук, тогда как современные обычные громкоговорители и наушники преобразуют в звук только 8 процентов. Зеттл предполагает, что в будущем такие устройства связи, как сотовые телефоны, будут использовать не только электромагнитные волны - радио, - но также акустический или ультразвуковой звук, который может быть узконаправленным и дальнодействующим.
«Графен - волшебный материал; он подходит для всех устройств связи», - сказал он.
Летучая мышь чирикает
Когда Чжоу рассказал своей жене Цзинлинь Чжэн об ультразвуковом микрофоне, она предложила ему попытаться записать звук щебетания летучих мышей на частотах, слишком высоких для человеческого восприятия. Поэтому они притащили микрофон в парк в Ливерморе и включили его. Когда они замедлили запись до одной десятой нормальной скорости, преобразовав высокие частоты в звуковой диапазон, который может слышать человек, они были поражены качеством и точностью вокализации летучих мышей.
«Он достаточно легкий, чтобы его можно было закрепить на летучей мыши и записывать то, что она слышит», - сказал Чжоу.
Эксперт по летучим мышам Майкл Ярцев, недавно принятый на работу доцент кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли и член Института неврологии Хелен Уиллс, сказал: «Эти новые микрофоны будут невероятно полезны для изучения звуковых сигналов на высоких частотах, таких как те, что используется летучими мышами. Использование графена позволяет авторам получить очень плоские частотные характеристики в широком диапазоне частот, включая ультразвук, и позволит детально изучить слуховые импульсы, используемые летучими мышами».
Зеттл отметил, что аудиофилы также оценят графеновые динамики и наушники, которые имеют ровную характеристику во всем слышимом диапазоне частот.
«Несколько лет назад это устройство было бы почти невозможно построить из-за сложности изготовления отдельно стоящих графеновых листов», - сказал Зеттл. «Но за последнее десятилетие графеновое сообщество объединилось для разработки методов выращивания, транспортировки и монтажа графена, поэтому создание такого устройства теперь очень просто; конструкция проста».