Iets meer dan 15 jaar sinds een paar onderzoekers in het VK plakband gebruikten om enkele atomaire lagen koolstof te isoleren, bekend als grafeen, uit een stuk grafiet, hun Nobelprijswinnende ontdekking heeft geleid tot een revolutie in O&O op het gebied van ultradunne materialen.

Grafeen en andere atomair dunne "2-D"-materialen vertonen exotische eigenschappen die onderzoekers hopen aan te boren voor een reeks toepassingen - van kleinere transistors verpakt in krachtigere en compactere computerprocessors, tot kleinere en nauwkeurigere sensoren, flexibele digitale vertoningen, en een nieuwe golf van kwantumcomputers.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) hebben op een aantal fronten geholpen om dit onderzoek naar ultradunne materialen te bevorderen, beroep doen op gespecialiseerde hulpmiddelen en technieken om ze te maken en hun structuur en eigenschappen op nanoschaal en atomaire schaal te bestuderen.

Nu is een in Californië gevestigd bedrijf genaamd GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) op weg naar het commercialiseren van op grafeen gebaseerde audiotechnologie die is ontwikkeld door onderzoekers van Berkeley Lab en UC Berkeley in een poging een audiorevolutie te stimuleren.

Ramesh Ramchandani, GraphAudio-CEO, zei dat het doel van het bedrijf is om de gelicentieerde technologie te gebruiken om grafeencomponenten te produceren die andere bedrijven in hun producten opnemen.

Hij zei dat hij verwacht dat de technologie van GraphAudio - die binnen een of twee jaar voor consumenten beschikbaar zou kunnen zijn - grafeencomponenten zal zijn in oordopjes en versterkers die worden geïntegreerd in producten die zijn gemaakt door gevestigde fabrikanten van audioproducten.

De technologie onder licentie van Berkeley Lab in 2016, die betrekking heeft op het gebruik van grafeen in een geluidsproducerende component die bekend staat als een transducer, kan een verscheidenheid aan apparaten transformeren, inclusief luidsprekers, oordopjes en koptelefoons, microfoons, autonome voertuigsensoren, en ultrasone en echolocatiesystemen.

"We werken al een aantal jaren aan op grafeen gebaseerde materialen en structuren, en deze transducer is een van de toepassingen die daaruit voortkwamen, " zei Alex Zettl, een senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en een natuurkundeprofessor aan UC Berkeley die mede-uitvinder is van de technologie onder licentie van GraphAudio. De andere uitvinder is Qin Zhou, een voormalig postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln.

De transducer die door het onderzoek van hun team is ontwikkeld, maakt gebruik van een kleine, uit meerdere lagen dikke grafeenfilm, een membraan genaamd, dat elektrische signalen omzet in geluid.

"Het is een soort drumvel, met een cirkelvormig frame en het membraan erover gespannen, "Zet Zettl. Het grafeenmembraan heeft een diameter van ongeveer een centimeter. Het membraan en het ondersteunende frame zijn ingeklemd tussen op silicium gebaseerde elektroden die worden aangedreven met wisselspanningen.

De elektrische velden zorgen ervoor dat het grafeenmembraan trilt en geluid creëert op een efficiënte, gecontroleerde manier. Dit ontwerp, bekend als een elektrostatische transducer, vereist minder onderdelen en veel minder energie dan meer conventionele ontwerpen, waarvoor elektrische spoelen en magneten nodig kunnen zijn.

"Als we ermee rijden met een elektrisch audiosignaal, het werkt als een luidspreker, ' zei Zettl.

In sommige populaire in-ear hoofdtelefoons, slechts ongeveer 10 procent van de elektrische energie wordt omgezet in geluid, terwijl de rest als warmte verloren gaat. De grafeentransducer, Hoewel, zet ongeveer 99 procent van de energie om in geluid, hij zei.

Ook, de grafeentransducer is bijna vervormingsvrij en heeft een extreem "platte" respons over een zeer breed bereik van geluidsfrequenties - zelfs veel verder dan wat het menselijk oor kan horen. Dit betekent dat het geluid van gelijke kwaliteit is over een breed bereik van hoge en lage frequenties - "niet alleen in de audioband, maar van subsonisch tot ultrasoon, "Zei Zettl. "Dit is vrijwel ongekend."

Door deze grote bandbreedte de op grafeen gebaseerde transducer kan worden gebruikt voor echolocatiesystemen voor onderzeese communicatie, ultrasone systemen voor het lokaliseren van overlevenden in een met puin bezaaide omgeving, en voor hoogwaardige beeldvorming van menselijke foetussen in de baarmoeder, als voorbeelden.

En dezelfde eigenschappen die ervoor zorgen dat de grafeentransducer goed werkt in luidsprekers, kunnen ook zorgen voor hoogwaardige microfoons, Zettl merkte op. "We hebben beide technologieën in ons laboratorium gedemonstreerd. Beide hebben het potentieel om gecommercialiseerd te worden."

Ramchandani van GraphAudio zei dat de voorbeeldkoptelefoons en -microfoons van GraphAudio die het bedrijf demonstreerde op de Consumer Electronics Show in januari, resulteerde in een aantal productieve discussies met potentiële partners, en sommige consumentenervaringen waarvan hij zei dat ze een "Wauw" -reactie opriepen.

Het bedrijf beweert dat de geluidskwaliteit van zijn technologie zo kristalhelder is dat het mogelijk is om de tonen van een individueel instrument uit een symfonieorkest te halen.

Ramchandani merkte op dat flatscreentelevisietechnologie de grotere en zwaardere kathodestraalbuistelevisies vrijwel heeft vervangen, en hij verwacht eenzelfde soort transformatie in audioproducten.

Tot de producten die zouden kunnen voortkomen uit de gelicentieerde technologie van GraphAudio, behoren dunne autoluidsprekers die zijn ingebed in het interieurplafond van een voertuig voor een verbeterde surround-sound-ervaring, en verbeterde autosensoren die vertrouwen op tweerichtings-echolocatie om botsingen met voertuigen te voorkomen.

Zettl zei dat zijn team zijn R&D-inspanningen voortzet met ultradunne materialen en nanostructuren.

Zijn teamleden hebben specialiteiten variërend van scheikunde en natuurkunde tot werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en de onderzoekers zijn frequente gebruikers van Berkeley Lab's Molecular Foundry, een wetenschappelijke faciliteit op nanoschaal; en de geavanceerde lichtbron, die lichtstralen produceert die kunnen worden gebruikt om materialen op kleine schaal te bestuderen.

"Ik zou dit werk niet kunnen doen zonder de studenten en postdoctorale onderzoekers en de faciliteiten die hier bij Berkeley Lab zijn, ' zei Zettl.

Leden van zijn onderzoeksteam gebruiken routinematig microscopen met atomaire resolutie in de Molecular Foundry om de structuur van ultradunne materialen te onderzoeken, bijvoorbeeld. En teamleden gebruiken ook röntgenstralen geproduceerd door de geavanceerde lichtbron om andere eigenschappen van materialen te onderzoeken die ze geschikt zouden kunnen maken voor bepaalde toepassingen, hij merkte.

Een nieuwe impuls in het onderzoek van zijn team is om te onderzoeken hoe nieuwe soorten mechanische transducers kunnen worden gemaakt met ultradunne materialen die zijn vervaardigd met instelbare elastische eigenschappen - mogelijk gemaakt door nauwkeurig gevormde gaten of sleuven op nanoschaal.

Naast hun gebruik in nieuwe transducerconfiguraties, dergelijke geperforeerde membranen zouden ook nuttig kunnen zijn voor toepassingen variërend van waterfiltratie tot genetische sequencing.

"Om te kunnen werken aan dingen die echte toepassingen en publieke voordelen hebben - het is leuk om die volledige progressie te zien, "Zettle zei. "Ik ben opgewonden om te zien dat deze toepassingen hieruit voortkomen. Voor mij persoonlijk is dat de moeite waard."

Het bedrijf demonstreerde de technologie op de 2020 Consumer Electronics Show (CES) in januari.