Poco más de 15 años desde que un par de investigadores en el Reino Unido usaron cinta adhesiva para aislar capas atómicas individuales de carbono, conocido como grafeno, de un trozo de grafito, su descubrimiento, ganador del Premio Nobel, ha impulsado una revolución en la I + D de materiales ultrafinos.

El grafeno y otros materiales "2-D" atómicamente delgados exhiben propiedades exóticas que los investigadores esperan aprovechar para una variedad de aplicaciones, desde transistores más pequeños empaquetados en procesadores de computadora más potentes y compactos, a sensores más pequeños y precisos, pantallas digitales flexibles, y una nueva ola de computadoras cuánticas.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han ayudado a hacer avanzar esta investigación sobre materiales ultrafinos en varios frentes, reclutar herramientas y técnicas especializadas para hacerlos y estudiar su estructura y propiedades a escala nanométrica y atómica.

Ahora, una empresa con sede en California llamada GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) se está moviendo hacia la comercialización de tecnología de audio basada en grafeno desarrollada por investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley en un esfuerzo por estimular una revolución de audio.

Ramesh Ramchandani, CEO de GraphAudio, dijo que el objetivo de la empresa es utilizar la tecnología licenciada para fabricar componentes de grafeno que otras empresas incorporan en sus productos.

Dijo que espera que la tecnología de GraphAudio, que podría estar disponible para los consumidores dentro de uno o dos años, sean componentes de grafeno en auriculares y amplificadores integrados en productos fabricados por fabricantes de productos de audio establecidos.

La tecnología con licencia de Berkeley Lab en 2016, que se relaciona con el uso de grafeno en un componente productor de sonido conocido como transductor, podría transformar una variedad de dispositivos, incluidos los ponentes, auriculares y audífonos, micrófonos, sensores de vehículos autónomos, y sistemas ultrasónicos y de ecolocalización.

"Hemos estado trabajando en materiales y estructuras basados ​​en grafeno durante varios años, y este transductor es una de las aplicaciones que surgieron de eso, "dijo Alex Zettl, un científico de la facultad senior en Berkeley Lab y un profesor de física en UC Berkeley que es coinventor de la tecnología con licencia de GraphAudio. El otro inventor es Qin Zhou, ex investigador postdoctoral del Berkeley Lab que ahora es profesor asistente en la Universidad de Nebraska-Lincoln.

El transductor desarrollado a través de la investigación de su equipo utiliza una pequeña película de grafeno de varias capas de espesor llamada membrana que convierte las señales eléctricas en sonido.

"Es como un parche de tambor, con un marco circular y la membrana estirada sobre él, "Dijo Zettl. La membrana de grafeno mide aproximadamente un centímetro de ancho. La membrana y el marco de soporte están intercalados entre electrodos a base de silicio que se activan con voltajes alternos.

Los campos eléctricos hacen que la membrana de grafeno vibre y cree sonido de manera eficiente, forma controlada. Este diseño, conocido como transductor electrostático, requiere menos piezas y mucha menos energía que los diseños más convencionales, que pueden requerir bobinas eléctricas e imanes.

"Cuando lo conducimos con una señal de audio eléctrica, actúa como un altavoz, "Dijo Zettl.

En algunos auriculares internos populares, solo alrededor del 10 por ciento de la energía eléctrica se convierte en sonido, mientras que el resto se pierde en forma de calor. El transductor de grafeno, aunque, convierte aproximadamente el 99 por ciento de la energía en sonido, él dijo.

También, el transductor de grafeno está casi libre de distorsiones y tiene una respuesta extremadamente "plana" en un rango muy amplio de frecuencias de sonido, incluso mucho más allá de lo que el oído humano es capaz de escuchar. Esto significa que el sonido tiene la misma calidad en una amplia gama de frecuencias altas y bajas, "no solo en la banda de audio, pero desde subsónico hasta ultrasónico, ", Dijo Zettl." Esto no tiene precedentes ".

Debido a este gran ancho de banda, el transductor basado en grafeno podría usarse para sistemas de ecolocalización para comunicaciones submarinas, sistemas ultrasónicos para localizar a los supervivientes en un entorno lleno de escombros, y para obtener imágenes de alta calidad de fetos humanos en el útero, como ejemplos.

Y las mismas propiedades que hacen que el transductor de grafeno funcione bien en los altavoces también pueden generar micrófonos de alta calidad, Señaló Zettl. "Demostramos ambas tecnologías en nuestro laboratorio. Ambas tienen potencial para ser comercializadas".

Ramchandani de GraphAudio dijo que los auriculares y micrófonos de muestra de GraphAudio que la compañía demostró en el Consumer Electronics Show en enero dieron como resultado algunas discusiones productivas con posibles socios, y algunas experiencias de los consumidores que, según dijo, provocaron una respuesta "Wow".

La compañía afirma que la calidad de sonido de su tecnología es tan clara que es posible seleccionar los tonos de un instrumento individual de una orquesta sinfónica.

Ramchandani señaló que la tecnología de televisión de pantalla plana prácticamente ha reemplazado a los televisores de tubo de rayos catódicos más voluminosos y pesados. y espera el mismo tipo de transformación en los productos de audio.

Entre los productos que podrían surgir de la tecnología con licencia de GraphAudio se encuentran los parlantes delgados para automóvil integrados en el techo interior del vehículo para una mejor experiencia de sonido envolvente. y sensores de automóvil mejorados que dependen de la ecolocalización bidireccional para evitar colisiones de vehículos.

Zettl dijo que su equipo continúa sus esfuerzos de I + D con materiales ultrafinos y nanoestructuras.

Los miembros de su equipo tienen especialidades que van desde la química y la física hasta la ingeniería mecánica y la ciencia de los materiales, y los investigadores son usuarios frecuentes de Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación científica a nanoescala; y la fuente de luz avanzada, que produce haces de luz que se pueden utilizar para estudiar materiales a escalas diminutas.

"No podría hacer nada de este trabajo sin los estudiantes e investigadores postdoctorales y las instalaciones que están aquí en Berkeley Lab, "Dijo Zettl.

Los miembros de su equipo de investigación utilizan de forma rutinaria microscopios de resolución atómica en Molecular Foundry para explorar la estructura de materiales ultrafinos, por ejemplo. Y los miembros del equipo también utilizan los rayos X producidos por la fuente de luz avanzada para examinar otras propiedades de los materiales que podrían hacerlos adecuados para aplicaciones particulares. El lo notó.

Un nuevo impulso en la investigación de su equipo es explorar cómo fabricar nuevos tipos de transductores mecánicos con materiales ultradelgados que se fabrican con propiedades elásticas sintonizables, habilitadas por orificios o ranuras a nanoescala con patrones precisos.

Además de su uso en nuevas configuraciones de transductores, tales membranas perforadas también podrían ser útiles para aplicaciones que van desde la filtración de agua hasta la secuenciación genética.

"Para poder trabajar en cosas que tienen aplicaciones reales y beneficios públicos, es bueno ver esa progresión completa, ", Dijo Zettle." Estoy encantado de poder ver estas aplicaciones salir de esto. Para mí, eso es personalmente gratificante ".

La compañía demostró la tecnología en el Consumer Electronics Show (CES) de 2020 en enero.