Troy Bouman reikt voorover, drukt op afspelen, en de luidspreker die op het bureau zit, begint het gevechtslied van de universiteit te spelen. Maar dit is geen gewone luidspreker. Dit is een transducer van koolstofnanobuisjes - en hij maakt geluid met warmte.

Bouman en Mahsa Asgarisabet, beide afgestudeerde studenten aan de Michigan Technological University, won onlangs een Best of Show Award op SAE International's Noise and Vibration Conference and Exhibition 2015 voor hun akoestisch onderzoek naar koolstofnanobuisluidsprekers. Ze werken samen met Andrew Barnard, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Michigan Tech, om de fundamentele fysica van deze ongewone luidsprekers uit te plagen.

Hoewel het nog een jonge technologie is, de potentiële toepassingen zijn bijna eindeloos. Alles van het ontdooien van helikopterbladen tot het maken van lichtere luidsprekers tot het verdubbelen als autoluidspreker en verwarmingsfilament voor achterruitontdooiers.

Hoe koolstofnanobuisjes geluid maken

De vrijstaande luidspreker zelf is nogal bescheiden. In feite, het is een beetje fragiel. Een teflon-basis ondersteunt twee koperen staven, en wat lijkt op een doorzichtige zwarte doek strekt zich tussen hen uit.

"Een kleine windvlaag over hen, en ze zouden gewoon wegwaaien, " zegt Barnard. "Maar je kunt ze zoveel schudden als je wilt - omdat ze zo'n lage massa hebben, er is vrijwel geen traagheid."

Het materiaal is sterk van links naar rechts, want wat het blote oog niet kan zien, is de verzameling zwarte nanobuisjes waaruit die dunne film bestaat.

De nanobuisjes zijn stroachtige structuren met wanden van slechts één koolstofatoom dik en ze kunnen opwarmen en afkoelen tot 100, 000 keer per seconde. Ter vergelijking, een platinaplaat van ongeveer 700 nanometer dik kan slechts ongeveer 16 keer per seconde opwarmen en afkoelen. De verwarming en koeling van de koolstofnanobuisjes zorgt ervoor dat de aangrenzende lucht uitzet en krimpt. Dat duwt luchtmoleculen rond en creëert geluidsgolven.

"Traditionele luidsprekers gebruiken een bewegende spoel, en zo creëren ze geluidsgolven, ", zegt Bouman. "Er zit een heel andere fysica achter luidsprekers van koolstofnanobuisjes."

En door deze verschillen, de bijna gewichtloze koolstof nanobuis-luidsprekers produceren geluid op een manier die in eerste instantie niet door onze oren wordt begrepen. Boumans onderzoek richt zich op het verwerken van de geluidsgolven om ze beter verstaanbaar te maken.

Akoestiek

Daten, het meeste onderzoek naar koolstofnanobuisjes was aan de materiaalkant. In 2008 werden bij toeval koolstofnanobuisspeakers ontdekt waaruit blijkt dat het idee levensvatbaar was. Als werktuigbouwkundigen die akoestiek studeren, Barnard, Bouman en Asgarisabet verfijnen de technologie.

"Ze zijn erg licht van gewicht en hebben geen bewegende delen, "Asgarisabet zegt, wat ideaal is voor haar werk in actieve lawaaibeheersing, waar de koolstof nanobuisfilms motorgeluid in vliegtuigen of weggeluid in auto's zouden kunnen neutraliseren. Maar eerst, ze zegt, "Ik wil me eerst concentreren op het verkrijgen van een goed thermisch model van de luidsprekers."

Een nauwkeurig model hebben, Bouman voegt toe, is een weerspiegeling van het begrijpen van de koolstofnanobuis-luidsprekers zelf. Het modelleringswerk dat hij en Asgarisabet doen, legt de basis om nieuwe toepassingen voor de technologie op te bouwen.

Hoewel er nog veel onderzoek wordt gedaan naar het uitzoeken van de onderliggende fysica van koolstofnanobuisluidsprekers, het kunnen gebruiken van zowel de warmte- als de geluidseigenschappen maakt ze veelzijdig. De dunheid en gewichtloosheid is ook aantrekkelijk.

"Het zijn in wezen vervormbare luidsprekers, " zegt Barnard. De dunne film zou over dashboards kunnen worden gedrapeerd, ramen, muren, stoelen en misschien zelfs kleding. Om de sprekers zover te krijgen, Barnard en zijn studenten zullen doorgaan met het verfijnen van de efficiëntie en robuustheid van de technologie, één koolstof nanobuis dunne-film tegelijk.