(Phys.org) -Netwerken van machines op nanometerschaal bieden opwindende potentiële toepassingen in de geneeskunde, industrie, milieubescherming en defensie, maar tot nu toe was er een heel klein probleem:de beperkte capaciteit van antennes op nanoschaal die zijn vervaardigd uit traditionele metalen componenten.

Met antennes gemaakt van conventionele materialen zoals koper, communicatie tussen low-power nanomachines zou vrijwel onmogelijk zijn. Maar door gebruik te maken van de unieke elektronische eigenschappen van het materiaal dat bekend staat als grafeen, onderzoekers denken nu dat ze op schema liggen om apparaten aan te sluiten die worden aangedreven door kleine hoeveelheden weggevangen energie.

Gebaseerd op een honingraatnetwerk van koolstofatomen, grafeen zou een soort elektronische oppervlaktegolf kunnen genereren waarmee antennes van slechts één micron lang en 10 tot 11 nanometer breed het werk kunnen doen van veel grotere antennes. Hoewel de werking van grafeen nano-antennes nog moet worden aangetoond, de onderzoekers zeggen dat hun modellering en simulaties aantonen dat nanonetwerken die de nieuwe benadering gebruiken, haalbaar zijn met het alternatieve materiaal.

"We maken gebruik van de eigenaardige voortplanting van elektronen in grafeen om een ​​zeer kleine antenne te maken die op veel lagere frequenties kan uitstralen dan klassieke metalen antennes van dezelfde grootte, " zei Ian Akyildiz, een Ken Byers Chair-professor in telecommunicatie aan de School of Electrical and Computer Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Wij geloven dat dit slechts het begin is van een nieuw netwerk- en communicatieparadigma gebaseerd op het gebruik van grafeen."

Gesponsord door de National Science Foundation, het onderzoek is gepland om te worden gerapporteerd in het tijdschrift IEEE Journal of Selected Areas in Communications ( IEEE JSAC ). Naast de antennes op nanoschaal, de onderzoekers werken ook aan op grafeen gebaseerde transceivers op nanoschaal en de transmissieprotocollen die nodig zijn voor communicatie tussen nanomachines.

De communicatie-uitdaging is dat op micronschaal, metalen antennes zouden moeten werken op frequenties van honderden terahertz. Hoewel die frequenties voordelen kunnen bieden op het gebied van communicatiesnelheid, hun bereik zou worden beperkt door voortplantingsverliezen tot slechts enkele micrometers. En ze zouden veel vermogen nodig hebben - meer vermogen dan nanomachines waarschijnlijk hebben.

Akyildiz bestudeert nanonetwerken sinds eind jaren negentig, en was tot de conclusie gekomen dat traditionele elektromagnetische communicatie tussen deze machines misschien niet mogelijk is. Maar toen hij en zijn Ph.D. student, Josep Jornet – die in augustus 2013 afstudeerde en nu assistent-professor is aan de State University van New York in Buffalo – begon te lezen over de verbazingwekkende eigenschappen van grafeen. Ze waren vooral geïnteresseerd in hoe elektronen zich gedragen in enkellaagse platen van het materiaal.

"Als elektronen in grafeen worden geëxciteerd door een inkomende elektromagnetische golf, bijvoorbeeld, ze beginnen heen en weer te bewegen, " legde Akyildiz uit. "Vanwege de unieke eigenschappen van het grafeen, deze globale oscillatie van elektrische lading resulteert in een beperkte elektromagnetische golf bovenop de grafeenlaag."

Technisch bekend als een oppervlakte plasmon polariton (SPP) golf, het effect zorgt ervoor dat de nano-antennes aan het lage uiteinde van het terahertz-frequentiebereik kunnen werken, tussen 0,1 en 10 terahertz – in plaats van 150 terahertz die nodig is voor traditionele koperen antennes op nanoschaal. Voor het verzenden, de SPP-golven kunnen worden gecreëerd door elektronen in de diëlektrische laag onder de grafeenlaag te injecteren.

Materialen zoals goud, zilver en andere edele metalen kunnen ook de voortplanting van SPP-golven ondersteunen, maar alleen bij veel hogere frequenties dan grafeen. Conventionele materialen zoals koper ondersteunen de golven niet.

Door elektromagnetische voortplanting bij lagere terahertz-frequenties toe te staan, de SPP-golven vereisen minder stroom - waardoor ze binnen het bereik liggen van wat haalbaar zou kunnen zijn voor nanomachines die worden aangedreven door technologie voor het oogsten van energie, ontwikkeld door Zhong Lin Wang, een professor aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering.

"Met deze antenne we kunnen de frequentie met twee ordes van grootte verminderen en de stroombehoeften met vier ordes van grootte, "zei Jornet. "Met deze antenne, we geloven dat de door Dr. Wang ontwikkelde technieken voor het oogsten van energie ons voldoende kracht zouden geven om een ​​communicatieverbinding tussen nanomachines te creëren."

De nanomachines in het netwerk die Akyildiz en Jornet voor ogen hebben, zouden verschillende geïntegreerde componenten bevatten. Naast de energie-oogstende nanogeneratoren, er zou detectie op nanoschaal zijn, verwerking en geheugen, technologieën die door andere groepen worden ontwikkeld. Het antenne- en transceiverwerk op nanoschaal dat bij Georgia Tech wordt uitgevoerd, zou de apparaten in staat stellen de informatie die ze waarnemen en verwerken naar de buitenwereld te communiceren.

"Elk van deze componenten zou een meting op nanoschaal hebben, maar in totaal zouden we een machine hebben van enkele micrometers, "zei Jornet. "Er zouden veel compromissen zijn in energieverbruik en grootte."

Naast het geven van de mogelijkheid om nanomachines te communiceren, honderden of duizenden grafeen antenne-transceiversets kunnen worden gecombineerd om full-size mobiele telefoons en internet-verbonden laptops sneller te laten communiceren.

"De terahertz-band kan de huidige datasnelheden in draadloze netwerken met meer dan twee ordes van grootte verhogen, " Akyildiz merkte op. "De datasnelheden in huidige cellulaire systemen zijn tot één gigabit-per-seconde in geavanceerde LTE-netwerken of 10 gigabit-per-seconde in de zogenaamde millimetergolf- of 60 gigahertz-systemen. We verwachten datasnelheden in de orde van terabit-per-seconde in de terahertz-band."

De unieke eigenschappen van grafeen, Akyildiz zegt, zijn van cruciaal belang voor deze antenne - en andere toekomstige elektronische apparaten.

"Grafeen is een zeer krachtig nanomateriaal dat ons leven in de komende halve eeuw zal domineren, " zei hij. "De Europese gemeenschap zal een zeer groot consortium steunen met veel universiteiten en bedrijven met een investering van een miljard euro om onderzoek naar dit materiaal te doen."

De onderzoekers hebben tot nu toe talloze ontwerpen van nano-antenne geëvalueerd met behulp van modellerings- en simulatietechnieken in hun laboratorium. De volgende stap is om daadwerkelijk een grafeen-nano-antenne te fabriceren en deze te bedienen met een transceiver die ook op grafeen is gebaseerd.

"Ons project laat zien dat het concept van op grafeen gebaseerde nano-antennes haalbaar is, vooral wanneer rekening wordt gehouden met zeer nauwkeurige modellen van elektronentransport in grafeen, " zei Akyildiz. "Veel uitdagingen blijven openstaan, maar dit is een eerste stap in de richting van het creëren van geavanceerde nanomachines met veel toepassingen in de biomedische, milieu, industriële en militaire velden."