Universidad de California, Berkeley, Los físicos han utilizado el grafeno para construir altavoces y micrófonos ultrasónicos ligeros. permitiendo a las personas imitar la capacidad de los murciélagos o delfines para usar el sonido para comunicarse y medir la distancia y la velocidad de los objetos a su alrededor.

Más prácticamente, los dispositivos de ultrasonido inalámbricos complementan la transmisión de radio estándar utilizando ondas electromagnéticas en áreas donde la radio no es práctica, como bajo el agua, pero con mucha mayor fidelidad que los dispositivos de ultrasonido o sonar actuales. También se pueden utilizar para comunicarse a través de objetos, como el acero, que las ondas electromagnéticas no pueden penetrar.

"Los mamíferos marinos y los murciélagos utilizan sonidos de alta frecuencia para la ecolocalización y la comunicación, pero los humanos no lo han explotado por completo antes, en mi opinión, porque la tecnología no ha estado ahí, ", dijo el físico de UC Berkeley Alex Zettl." Hasta ahora, no hemos tenido buenos transmisores o receptores de ultrasonidos de banda ancha. Estos nuevos dispositivos son una oportunidad tecnológica ".

Tanto los altavoces como los micrófonos utilizan diafragmas, típicamente hechos de papel o plástico, que vibran para producir o detectar sonido, respectivamente. Los diafragmas de los nuevos dispositivos son láminas de grafeno de tan solo un átomo de espesor que tienen la combinación correcta de rigidez. fuerza y ​​peso ligero para responder a frecuencias que van desde subsónicas (por debajo de 20 hercios) a ultrasónicas (por encima de 20 kilohercios). Los humanos pueden escuchar desde 20 hercios hasta 20, 000 hercios, mientras que los murciélagos escuchan solo en el rango de kilohercios, de 9 a 200 kilohercios. Los altavoces y micrófonos de grafema operan desde muy por debajo de 20 hercios hasta más de 500 kilohercios.

El grafeno consta de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal, arreglo de alambre de gallinero, lo que crea una dura, hoja liviana con propiedades electrónicas únicas que han entusiasmado al mundo de la física durante los últimos 20 años o más.

"Se habla mucho sobre el uso del grafeno en la electrónica y en pequeños dispositivos a nanoescala, pero todos están muy lejos "dijo Zettl, quien es científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y miembro del Instituto Kavli Energy NanoSciences, operado conjuntamente por UC Berkeley y Berkeley Lab. "El micrófono y el altavoz son algunos de los dispositivos más cercanos a la viabilidad comercial, porque hemos descubierto cómo hacer el grafeno y montarlo, y es fácil de ampliar ".

Zettl, El becario postdoctoral de UC Berkeley Qin Zhou y sus colegas describen su micrófono de grafeno y radio ultrasónica en un artículo que aparece en línea esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Radios y telémetros

Hace dos años, Zhou construyó altavoces usando una hoja de grafeno para el diafragma, y desde entonces ha estado desarrollando los circuitos electrónicos para construir un micrófono con un diafragma de grafeno similar.

Una gran ventaja del grafeno es que la hoja de un átomo de espesor es tan liviana que responde inmediatamente a un pulso electrónico. a diferencia de los micrófonos y altavoces piezoeléctricos actuales. Esto resulta útil cuando se utilizan transmisores y receptores ultrasónicos para transmitir grandes cantidades de información a través de muchos canales de frecuencia diferentes simultáneamente. o para medir la distancia, como en aplicaciones de sonar.

"Debido a que nuestra membrana es tan liviana, Tiene una respuesta de frecuencia extremadamente amplia y es capaz de generar pulsos agudos y medir la distancia con mucha más precisión que los métodos tradicionales. "Dijo Zhou.

Las membranas de grafeno también son más eficientes, convertir más del 99 por ciento de la energía que impulsa el dispositivo en sonido, mientras que los altavoces y auriculares convencionales de hoy en día convierten solo el 8 por ciento en sonido. Zettl anticipa que en el futuro, Los dispositivos de comunicación, como los teléfonos móviles, utilizarán no solo ondas electromagnéticas (radio), sino también sonido acústico o ultrasónico, que puede ser muy direccional y de largo alcance.

"El grafeno es un material mágico; llega a todos los puntos clave para un dispositivo de comunicaciones, " él dijo.

El murciélago chirría

Cuando Zhou le dijo a su esposa, Jinglin Zheng, sobre el micrófono de ultrasonido, ella sugirió que intentara capturar el sonido de los murciélagos piando a frecuencias demasiado altas para que los humanos las oyeran. Así que llevaron el micrófono a un parque en Livermore y lo encendieron. Cuando redujeron la velocidad de grabación a una décima parte de la velocidad normal, convertir las frecuencias altas a un rango de audio que los humanos pueden escuchar, estaban asombrados por la calidad y fidelidad de las vocalizaciones de los murciélagos.

"Esto es lo suficientemente ligero como para montarlo en un murciélago y grabar lo que el murciélago puede oír, "Dijo Zhou.

El experto en murciélagos Michael Yartsev, un profesor asistente de bioingeniería recientemente contratado de UC Berkeley y miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills, dijo, "Estos nuevos micrófonos serán increíblemente valiosos para estudiar señales auditivas a altas frecuencias, como las que utilizan los murciélagos. El uso de grafeno permite a los autores obtener respuestas de frecuencia muy planas en una amplia gama de frecuencias, incluyendo ultrasonido, y permitirá un estudio detallado de los pulsos auditivos que utilizan los murciélagos ".

Zettl señaló que los audiófilos también apreciarían los altavoces y auriculares de grafeno, que tienen una respuesta plana en todo el rango de frecuencias audibles.

"Hace varios años, este dispositivo habría sido casi imposible de construir debido a la dificultad de hacer láminas de grafeno independientes, ", Dijo Zettl." Pero durante la última década, la comunidad del grafeno se ha unido para desarrollar técnicas para crecer, transportar y montar grafeno, por lo que construir un dispositivo como este ahora es muy sencillo; el diseño es simple ".