Un equipo de investigadores de Columbia Engineering, dirigido por el profesor de ingeniería mecánica James Hone y el profesor de ingeniería eléctrica Kenneth Shepard, ha aprovechado las propiedades especiales del grafeno (su fuerza mecánica y conducción eléctrica) y ha creado un sistema nanomecánico que puede crear señales de FM, en efecto, el transmisor de radio FM más pequeño del mundo. El estudio se publica en línea el 17 de noviembre de en Nanotecnología de la naturaleza .
"Este trabajo es significativo porque demuestra una aplicación de grafeno que no se puede lograr con materiales convencionales, "Dice Hone." Y es un primer paso importante para avanzar en el procesamiento de señales inalámbricas y diseñar ultrafinas, teléfonos celulares eficientes. Nuestros dispositivos son mucho más pequeños que cualquier otra fuente de señales de radio, y se puede colocar en el mismo chip que se utiliza para el procesamiento de datos ".
Grafeno una sola capa atómica de carbono, es el material más fuerte conocido por el hombre, y también tiene propiedades eléctricas superiores al silicio utilizado para fabricar los chips que se encuentran en la electrónica moderna. La combinación de estas propiedades hace del grafeno un material ideal para sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), que son versiones reducidas de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) que se utilizan ampliamente para detectar vibraciones y aceleraciones. Por ejemplo, Hone explica, Los sensores MEMS determinan cómo se inclina su teléfono inteligente o tableta para girar la pantalla.
En este nuevo estudio, el equipo aprovechó la 'capacidad de estiramiento' mecánica del grafeno para sintonizar la frecuencia de salida de su oscilador personalizado, creando una versión nanomecánica de un componente electrónico conocido como oscilador controlado por voltaje (VCO). Con un VCO, explica Hone, es fácil generar una señal de frecuencia modulada (FM), exactamente lo que se utiliza para la transmisión de radio FM. El equipo construyó un NEMS de grafeno cuya frecuencia era de unos 100 megahercios, que se encuentra justo en el medio de la banda de radio FM (87,7 a 108 MHz). Utilizaron señales musicales de baja frecuencia (tanto tonos puros como canciones de un iPhone) para modular la señal portadora de 100 MHz del grafeno. y luego recuperó las señales musicales usando un receptor de radio FM común.
"Este dispositivo es, con mucho, el sistema más pequeño que puede crear tales señales FM, "dice Hone.
Si bien el grafeno NEMS no se utilizará para reemplazar los transmisores de radio convencionales, tienen muchas aplicaciones en el procesamiento de señales inalámbricas. Explica Shepard, "Debido a la contracción continua de los circuitos eléctricos conocida como 'Ley de Moore', Los teléfonos móviles de hoy en día tienen más potencia informática que los sistemas que solían ocupar habitaciones enteras. Sin embargo, algunos tipos de dispositivos, particularmente aquellos involucrados en la creación y procesamiento de señales de radiofrecuencia, son mucho más difíciles de miniaturizar. Estos componentes "fuera del chip" ocupan mucho espacio y energía eléctrica. Además, la mayoría de estos componentes no se pueden sintonizar fácilmente en frecuencia, requiriendo múltiples copias para cubrir el rango de frecuencias utilizadas para la comunicación inalámbrica ".
Graphene NEMS puede abordar ambos problemas:son muy compactos y se integran fácilmente con otros tipos de electrónica, y su frecuencia se puede sintonizar en un amplio rango debido a la tremenda fuerza mecánica del grafeno.
"Hay un largo camino por recorrer hacia las aplicaciones reales en esta área, "señala Hone, "pero este trabajo es un primer paso importante. Estamos emocionados de haber demostrado con éxito cómo este maravilloso material se puede utilizar para lograr un avance tecnológico práctico, algo particularmente gratificante para nosotros como ingenieros".
Los grupos de Hone y Shepard ahora están trabajando para mejorar el rendimiento de los osciladores de grafeno para reducir el ruido. Al mismo tiempo, también están tratando de demostrar la integración de grafeno NEMS con circuitos integrados de silicio, haciendo que el diseño del oscilador sea aún más compacto.
