Universiteit van Californië, Berkeley, natuurkundigen hebben grafeen gebruikt om lichtgewicht ultrasone luidsprekers en microfoons te bouwen, waardoor mensen het vermogen van vleermuizen of dolfijnen kunnen nabootsen om geluid te gebruiken om te communiceren en de afstand en snelheid van objecten om hen heen te meten.

Meer praktisch, de draadloze ultrasone apparaten vormen een aanvulling op de standaard radiotransmissie met behulp van elektromagnetische golven in gebieden waar radio onpraktisch is, zoals onder water, maar met een veel grotere betrouwbaarheid dan de huidige ultrasone of sonarapparaten. Ze kunnen ook worden gebruikt om te communiceren via objecten, zoals staal, dat elektromagnetische golven niet kunnen doordringen.

"Zeezoogdieren en vleermuizen gebruiken hoogfrequent geluid voor echolocatie en communicatie, maar mensen hebben dat gewoon niet eerder volledig uitgebuit, Naar mijn mening, omdat de technologie er nog niet was, " zei UC Berkeley natuurkundige Alex Zettl. "Tot nu toe, we hebben geen goede breedband ultrasone zenders of ontvangers gehad. Deze nieuwe apparaten zijn een technologische kans."

Luidsprekers en microfoons gebruiken beide diafragma's, meestal gemaakt van papier of plastic, die trillen om geluid te produceren of te detecteren, respectievelijk. De membranen in de nieuwe apparaten zijn grafeenplaten van slechts één atoom dik met de juiste combinatie van stijfheid, sterkte en lichtgewicht om te reageren op frequenties variërend van subsonisch (onder 20 hertz) tot ultrasoon (boven 20 kilohertz). Mensen kunnen horen van 20 hertz tot 20, 000 hertz, terwijl vleermuizen alleen horen in het kilohertzbereik, van 9 tot 200 kilohertz. De grafeemluidsprekers en microfoons werken van ruim onder de 20 hertz tot meer dan 500 kilohertz.

Grafeen bestaat uit koolstofatomen die in een zeshoekige, kippengaas arrangement, wat zorgt voor een taaie, lichtgewicht blad met unieke elektronische eigenschappen die de natuurkundige wereld de afgelopen 20 of meer jaar hebben opgewonden.

"Er wordt veel gepraat over het gebruik van grafeen in elektronica en kleine apparaten op nanoschaal, maar ze zijn allemaal een eind weg, " zei Zettl, die senior wetenschapper is bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en lid is van het Kavli Energy NanoSciences Institute, gezamenlijk beheerd door UC Berkeley en Berkeley Lab. "De microfoon en luidspreker zijn enkele van de apparaten die het dichtst in de buurt komen van commerciële levensvatbaarheid, omdat we hebben uitgezocht hoe we grafeen kunnen maken en monteren, en het is gemakkelijk op te schalen."

Zettl, UC Berkeley, postdoctoraal fellow Qin Zhou en collega's beschrijven hun grafeenmicrofoon en ultrasone radio in een paper die deze week online verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Radio's en afstandsmeters

Twee jaar geleden, Zhou bouwde luidsprekers met behulp van een vel grafeen voor het diafragma, en heeft sindsdien het elektronische circuit ontwikkeld om een ​​microfoon te bouwen met een soortgelijk grafeenmembraan.

Een groot voordeel van grafeen is dat het atoomdikke vel zo licht is dat het direct reageert op een elektronische puls, in tegenstelling tot de piëzo-elektrische microfoons en luidsprekers van tegenwoordig. Dit is handig bij het gebruik van ultrasone zenders en ontvangers om grote hoeveelheden informatie tegelijkertijd via veel verschillende frequentiekanalen te verzenden, of om afstand te meten, zoals bij sonartoepassingen.

"Omdat ons membraan zo licht is, het heeft een extreem brede frequentierespons en is in staat om scherpe pulsen te genereren en de afstand veel nauwkeuriger te meten dan traditionele methoden, ' zei Zhou.

Grafeenmembranen zijn ook efficiënter, het omzetten van meer dan 99 procent van de energie die het apparaat aandrijft in geluid, terwijl de huidige conventionele luidsprekers en hoofdtelefoons slechts 8 procent in geluid omzetten. Zettl verwacht dat in de toekomst, communicatieapparatuur zoals mobiele telefoons gebruiken niet alleen elektromagnetische golven – radio – maar ook akoestisch of ultrasoon geluid, die zeer directioneel en op lange afstand kan zijn.

"Grafeen is een magisch materiaal; het raakt alle goede punten voor een communicatieapparaat, " hij zei.

vleermuis tjilpt

Toen Zhou zijn vrouw vertelde, Jinglin Zheng, over de ultrasone microfoon, ze stelde voor dat hij zou proberen het geluid van vleermuizen te vangen die tjilpen op frequenties die te hoog zijn voor mensen om te horen. Dus sleepten ze de microfoon naar een park in Livermore en zetten hem aan. Toen ze de opname vertraagden tot een tiende van de normale snelheid, het omzetten van de hoge frequenties naar een audiobereik dat mensen kunnen horen, ze waren verbaasd over de kwaliteit en trouw van de vleermuisgeluiden.

"Dit is licht genoeg om op een vleermuis te monteren en op te nemen wat de vleermuis kan horen, ' zei Zhou.

Vleermuisexpert Michael Yartsev, een nieuw aangeworven UC Berkeley assistent-professor bio-engineering en lid van het Helen Wills Neuroscience Institute, zei, "Deze nieuwe microfoons zullen ongelooflijk waardevol zijn voor het bestuderen van auditieve signalen bij hoge frequenties, zoals die door vleermuizen worden gebruikt. Het gebruik van grafeen stelt de auteurs in staat om zeer vlakke frequentieresponsen te verkrijgen in een breed scala aan frequenties, inclusief echografie, en zal een gedetailleerde studie mogelijk maken van de auditieve pulsen die door vleermuizen worden gebruikt."

Zettl merkte op dat audiofielen ook de grafeenluidsprekers en koptelefoons zouden waarderen, die een vlakke respons hebben over het gehele hoorbare frequentiebereik.

"Een aantal jaren geleden dit apparaat zou bijna onmogelijk te bouwen zijn vanwege de moeilijkheid om vrijstaande grafeenplaten te maken, "Zei Zettl. "Maar in het afgelopen decennium is de grafeengemeenschap samengekomen om technieken te ontwikkelen om te groeien, vervoer en monteer grafeen, dus het bouwen van een apparaat als dit is nu heel eenvoudig; het ontwerp is eenvoudig."