Уступите место настоящему наноподу и освободите место в Книге рекордов Гиннесса. Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли создали первое полностью функциональное радио из одной углеродной нанотрубки, что делает его на несколько порядков самым маленьким радиоприемником из когда-либо существовавших. сделано.
С одной углеродной нанотрубкой, которая в 10 000 раз меньше человеческого волоса, это, безусловно, самое маленькое радио. Нанотрубка вибрирует на радиочастотах для приема сигнала, а затем действует как усилитель и демодулятор. Имея только батарею и чувствительные наушники, он может ловить AM или FM. С таким маленьким приемником или передатчиком вы могли бы надеть ошейник на бактерию.
«Одна молекула углеродных нанотрубок служит одновременно всеми основными компонентами радио - антенной, настраиваемым полосовым фильтром, усилителем и демодулятором», - сказал физик Алекс Зеттл, руководивший изобретением нанотрубного радио. «Используя несущие в коммерчески значимом диапазоне 40-400 МГц, а также частотную и амплитудную модуляцию (FM и AM), мы смогли продемонстрировать успешный прием музыки и голоса».
Учитывая, что радиоприемник из нанотрубок, по сути, собирается сам и может быть легко настроен на желаемую полосу частот после изготовления, Зеттл считает, что массовое производство нанорадиостанций будет относительно простым. Потенциальные приложения, помимо невероятно крошечных радиоприемников, включают новое поколение устройств беспроводной связи и мониторов. Радиотехнология нанотрубок может оказаться особенно ценной для биологических и медицинских приложений.
«Вся радиостанция легко поместилась бы внутри живой клетки, и этот небольшой размер позволяет ей безопасно взаимодействовать с биологическими системами», - сказал Зеттл. «Можно представить себе интерфейсы с функциями мозга или мышц или радиоуправляемые устройства, движущиеся по кровотоку».
Возможно также, что нанотрубное радио может быть имплантировано во внутреннее ухо как совершенно новый и дискретный способ передачи информации или как радикально новый метод коррекции нарушений слуха.
Зеттл проводит совместные встречи с отделом материаловедения (MSD) лаборатории Беркли и физическим факультетом Калифорнийского университета в Беркли, где он является директором Центра интегрированных наномеханических систем. В последние годы он и его исследовательская группа создали удивительный набор устройств из углеродных нанотрубок - полых трубчатых макромолекул диаметром всего несколько нанометров (миллиардных долей метра) и длиной менее микрона, включая датчики, диоды и даже мотор. Однако нанотрубное радио - первое, что - буквально - качает!
“Когда я был маленьким ребенком, мне подарили транзисторный радиоприемник, и это было лучшее, что я мог себе представить - музыка, исходящая из коробки, которую я мог держать в руке!” - сказал Зеттл. «Когда мы впервые включили наше нанорадио, я был так же взволнован, как когда в детстве впервые включил этот транзисторный радиоприемник».
Радиоустройство из углеродных нанотрубок состоит из отдельной углеродной нанотрубки, прикрепленной к электроду в непосредственной близости от противоэлектрода, с источником постоянного напряжения, например, от батареи или массива солнечных элементов, подключенным к электродам для сила. Приложенное смещение постоянного тока создает отрицательный электрический заряд на кончике нанотрубки, делая его чувствительным к колеблющимся электрическим полям. И электроды, и нанотрубка находятся в вакууме, и их геометрическая конфигурация аналогична конфигурации обычной вакуумной трубки.
Кеннет Дженсен, аспирант исследовательской группы Зеттла, разработал и сконструировал радио.
«Мы начали с создания исключительно чувствительного датчика силы, - сказал Дженсен. - Нанотрубки похожи на крошечные кошачьи усы., можно сделать вывод, какая сила действовала на нанотрубку. Эта невероятная чувствительность становится еще выше на резонансной частоте изгиба нанотрубки, которая соответствует частотам радиопередач, мобильных телефонов и GPS-вещания. Из-за этой высокой резонансной частоты Алекс (Цеттл) предположил, что нанотрубки можно использовать для изготовления радио».
Несмотря на то, что нанотрубка состоит из тех же основных компонентов, она не работает как обычная радиостанция. В отличие от полностью электрической работы обычного радио, нанотрубное радио является частично механическим, при этом сама нанотрубка служит и антенной, и тюнером.
Входящие радиоволны взаимодействуют с электрически заряженным наконечником нанотрубки, заставляя нанотрубку вибрировать. Эти вибрации имеют значение только тогда, когда частота входящей волны совпадает с резонансной частотой изгиба нанотрубки, которая, как и обычное радио, может быть настроена во время работы на прием только заранее выбранного сегмента или канала электромагнитного спектра.
Свойства усиления и демодуляции возникают из-за геометрии углеродных нанотрубок в форме иглы, которая придает им уникальные свойства автоэмиссии. Концентрируя электрическое поле постоянного напряжения смещения, приложенного к электродам, радиоприемник с нанотрубками создает автоэмиссионный ток, чувствительный к механическим колебаниям нанотрубки. Поскольку ток автоэмиссии генерируется внешним источником питания, возможно усиление радиосигнала. Кроме того, поскольку автоэлектронная эмиссия является нелинейным процессом, она также действует для демодуляции радиосигнала AM или FM, точно так же, как диод, используемый в традиционных радиоприемниках..
«Тогда мы видим, что все четыре основных компонента радиоприемника компактно и эффективно реализованы внутри вибрирующей и излучающей поле углеродной нанотрубки», - сказал Зеттл.«Это совершенно другой подход к созданию радио - использование электромеханического механизма для выполнения множества функций. Другими словами, наше нанотрубное радио - это настоящее устройство NEMS (наноэлектромеханическая система)».
Поскольку углеродные нанотрубки намного меньше длины волны видимого света, их невозможно рассмотреть даже в самый мощный оптический микроскоп. Поэтому, чтобы наблюдать критическое механическое движение своего нанотрубного радиоприемника, Зеттл и его исследовательская группа, в которую, помимо Дженсена, также входили постдокторант Джефф Уэлдон и аспирант Генри Гарсиа, установили свое нанотрубное радио в просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения (ПЭМ).). Синусоидальный несущий радиосигнал был запущен с ближайшей передающей антенны, и когда частоты передаваемой несущей волны совпали с резонансной частотой нанотрубки, радиоприем стал возможен..
«Чтобы связать механические движения нанотрубки с реальной работой радиоприемника, мы запустили FM-радиопередачу песни Good Vibrations группы Beach Boys», - сказал Зеттл.«После приема, фильтрации, усиления и демодуляции с помощью нанотрубного радиоприемника возникающий сигнал дополнительно усиливался текущим предусилителем, посылался на громкоговоритель и записывался. Радиоприемник с нанотрубками точно воспроизводил звуковой сигнал, и песня была легко узнаваема на слух».
Когда исследователи преднамеренно отрегулировали радиоприемник нанотрубок от несущей частоты, механические вибрации исчезли, и радиоприем был потерян. «Замок» на заданном канале радиопередачи можно было поддерживать в течение многих минут, и не было необходимости использовать радио нанотрубки внутри ПЭМ. Используя немного другую конфигурацию, исследователи успешно передавали и принимали сигналы на расстояние в несколько метров.
«Интеграция всех электронных компонентов радиоприемника произошла естественным образом в самой нанотрубке», - сказал Дженсен. «Через несколько часов после того, как мы выяснили, что наш датчик силы на самом деле радио, мы начали играть музыку!»
Добавил Цеттл: «Наше нанотрубное радио является сложным и элегантным с точки зрения физики его работы, но абсолютно простым в техническом исполнении. Все в нем работает отлично, без дополнительных патчей и ухищрений».
Отдел передачи технологий Berkeley Lab в настоящее время ищет промышленных партнеров для дальнейшего развития и коммерциализации этой технологии.
Документ об этой работе теперь находится в сети на веб-сайте Nano Letters. Он также будет опубликован в печатном издании Nano Letters за ноябрь 2007 года. Статья называется «Радио нанотрубок», а соавторами являются Зеттл, Дженсен, Уэлдон и Гарсия. В том же печатном издании появилась статья Питера Берка и Криса Рутерглена из Калифорнийского университета в Ирвине, в которой сообщается об использовании углеродных нанотрубок в качестве демодулятора.
Радиоисследование нанотрубок было поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом в рамках Центра интегрированных наномеханических систем.
Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом.