Elektrische signalen die met hoge frequenties worden uitgezonden, verliezen niets van hun energie wanneer ze door het 'wondermateriaal' grafeen gaan, een onderzoek onder leiding van Plymouth University heeft aangetoond.

Ontdekt in 2004, grafeen - dat slechts een atoom dik is en ongeveer 100 keer sterker is dan staal - is geïdentificeerd als een scala aan potentiële toepassingen in de technische en gezondheidssectoren.

Nu heeft onderzoek aangetoond dat grafeen beter presteert dan elk ander bekend materiaal, inclusief supergeleiders, bij het dragen van hoogfrequente elektrische signalen in vergelijking met gelijkstroom, in wezen signalen verzenden zonder extra energieverlies.

En aangezien grafeen geen bandgap heeft, waarmee elektrische signalen kunnen worden in- en uitgeschakeld met behulp van silicium in digitale elektronica, academici zeggen dat het het meest toepasbaar lijkt voor toepassingen variërend van de volgende generatie high-speed transistors en versterkers voor mobiele telefoons en satellietcommunicatie tot ultragevoelige biologische sensoren.

De studie werd geleid door Dr. Shakil Awan, een docent in de School of Computing, Elektronica en wiskunde aan de Plymouth University, naast collega's van de universiteiten van Cambridge en Tohoku (Japan) en Nokia Technologies (Cambridge, VK).

Dr Awan zei:

"Een nauwkeurig begrip van de elektromagnetische eigenschappen van grafeen over een breed frequentiebereik (van gelijkstroom tot meer dan 10 GHz) is een belangrijke zoektocht geweest voor verschillende groepen over de hele wereld. De eerste metingen gaven tegenstrijdige resultaten met de theorie omdat de intrinsieke eigenschappen van grafeen vaak gemaskeerd door veel grotere storende signalen van het ondersteunende substraat, metalen contacten en meetsondes. Onze resultaten bevestigen voor het eerst niet alleen de theoretische eigenschappen van grafeen, maar openen ook veel nieuwe toepassingen van het materiaal in hogesnelheidselektronica en bio-sensing."

De studie, gepubliceerd in het IOP 2D Materials Journal, werd gefinancierd door het EU Graphene Flagship, EPSRC, ERC en Nokia Technologies, en de resultaten worden nu benut bij de ontwikkeling van snelle en efficiënte versterkers met weinig ruis, mixers, stralingsdetectoren en nieuwe biosensoren.

Dit laatste is de focus van een driejarig project van £ 1 miljoen, gefinancierd door de EPSRC, voor de ontwikkeling van zeer gevoelige grafeen-biosensoren voor vroege detectie van dementie (zoals de ziekte van Alzheimer) in vergelijking met de huidige methoden.

Grafeen is hiervoor bij uitstek geschikt omdat het thermische geluid bij kamertemperatuur kleiner is dan enig ander bekend materiaal, waardoor de gevoelige detectie van kleine aantallen antilichaam-antigeen-interacties mogelijk is om de kans aan te geven dat een patiënt in de toekomst dementie zal ontwikkelen.

Dr Alan Colli, van Nokia Technologies, zei:

"Grafeenapparaten voor draadloze technologieën van de volgende generatie (tot en boven 10 GHz) gaan snel vooruit. Onze studie heeft het fundamentele gedrag van grafeen bij hoge frequenties ontgrendeld, die essentieel zal zijn bij het ontwerp en de evaluatie van toekomstige op grafeen gebaseerde draadloze apparaten. Dit is alleen mogelijk gemaakt door de multidisciplinaire expertise van de verschillende groepen bij Nokia, en in Plymouth, Cambridge en Tohoku universiteiten."