(Phys.org) — Nätverk av maskiner i nanometerskala erbjuder spännande potentiella tillämpningar inom medicin, industri, miljöskydd och försvar, men fram till nu har det funnits ett mycket litet problem:den begränsade kapaciteten hos nanoskaliga antenner tillverkade av traditionella metallkomponenter.

Med antenner tillverkade av konventionella material som koppar, kommunikation mellan lågeffekts nanomaskiner skulle vara praktiskt taget omöjlig. Men genom att dra fördel av de unika elektroniska egenskaperna hos materialet som kallas grafen, Forskare tror nu att de är på väg att ansluta enheter som drivs av små mängder renad energi.

Baserat på ett bikakenät av kolatomer, grafen skulle kunna generera en typ av elektronisk ytvåg som skulle tillåta antenner som bara är en mikron långa och 10 till 11 nanometer breda att göra jobbet med mycket större antenner. Medan driften av grafennanoantenner ännu inte har demonstrerats, forskarna säger att deras modellering och simuleringar visar att nanonätverk som använder den nya metoden är genomförbara med det alternativa materialet.

"Vi utnyttjar den märkliga utbredningen av elektroner i grafen för att göra en mycket liten antenn som kan stråla vid mycket lägre frekvenser än klassiska metallantenner av samma storlek, " sa Ian Akyildiz, en Ken Byers ordförande professor i telekommunikation vid School of Electrical and Computer Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vi tror att detta bara är början på ett nytt nätverks- och kommunikationsparadigm baserat på användningen av grafen."

Sponsrad av National Science Foundation, forskningen är planerad att rapporteras i tidskriften IEEE Journal of Selected Areas in Communications ( IEEE JSAC ). Förutom antennerna i nanoskala, forskarna arbetar också med grafenbaserade sändtagare i nanoskala och de överföringsprotokoll som skulle behövas för kommunikation mellan nanomaskiner.

Kommunikationsutmaningen är att på mikronskala, metallantenner skulle behöva arbeta vid frekvenser på hundratals terahertz. Även om dessa frekvenser kan erbjuda fördelar i kommunikationshastighet, deras räckvidd skulle begränsas av spridningsförluster till bara några mikrometer. Och de skulle kräva mycket kraft – mer kraft än vad nanomaskiner sannolikt kommer att ha.

Akyildiz har studerat nanonätverk sedan slutet av 1990-talet, och hade kommit fram till att traditionell elektromagnetisk kommunikation mellan dessa maskiner kanske inte är möjlig. Men sedan han och hans doktorsexamen. studerande, Josep Jornet – som tog examen i augusti 2013 och nu är biträdande professor vid State University of New York i Buffalo – började läsa om grafens fantastiska egenskaper. De var särskilt intresserade av hur elektroner beter sig i enskiktsark av materialet.

"När elektroner i grafen exciteras av en inkommande elektromagnetisk våg, till exempel, de börjar röra sig fram och tillbaka, " förklarade Akyildiz. "På grund av grafenens unika egenskaper, denna globala oscillation av elektrisk laddning resulterar i en begränsad elektromagnetisk våg ovanpå grafenskiktet."

Tekniskt känd som en ytplasmonpolaritonvåg (SPP), effekten kommer att tillåta nano-antennerna att fungera i den nedre delen av terahertz-frekvensområdet, mellan 0,1 och 10 terahertz – istället för vid 150 terahertz som krävs av traditionella kopparantenner i nanoskala. För sändning, SPP-vågorna kan skapas genom att injicera elektroner i det dielektriska lagret under grafenarket.

Material som guld, silver och andra ädla metaller kan också stödja spridningen av SPP-vågor, men bara vid mycket högre frekvenser än grafen. Konventionella material som koppar stödjer inte vågorna.

Genom att tillåta elektromagnetisk utbredning vid lägre terahertz-frekvenser, SPP-vågorna kräver mindre kraft – vilket gör att de ligger inom räckhåll för vad som kan vara möjligt för nanomaskiner som drivs av energiskördande teknik som banat väg för av Zhong Lin Wang, professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering.

"Med den här antennen, vi kan sänka frekvensen med två storleksordningar och sänka kraftbehovet med fyra storleksordningar, " sa Jornet. "Med den här antennen, vi tror att de energiskördande teknikerna som utvecklats av Dr Wang skulle ge oss tillräckligt med kraft för att skapa en kommunikationslänk mellan nanomaskiner."

Nanomaskinerna i nätverket som Akyildiz och Jornet tänker sig skulle innehålla flera integrerade komponenter. Förutom de energiskördande nanogeneratorerna, det skulle finnas avkänning i nanoskala, bearbetning och minne, teknologier som är under utveckling av andra grupper. Arbetet med antenn och sändtagare i nanoskala som utförs på Georgia Tech skulle göra det möjligt för enheterna att kommunicera informationen de känner och bearbetar till omvärlden.

"Var och en av dessa komponenter skulle ha en mätning i nanoskala, men totalt skulle vi ha en maskin som mäter några mikrometer, ", sa Jornet. "Det skulle finnas många avvägningar i energianvändning och storlek."

Förutom att ge nanomaskiner förmågan att kommunicera, hundratals eller tusentals grafen-antenn-sändtagare kan kombineras för att hjälpa fullstora mobiltelefoner och internetanslutna bärbara datorer att kommunicera snabbare.

"Terahertz-bandet kan öka nuvarande datahastigheter i trådlösa nätverk med mer än två storleksordningar, " noterade Akyildiz. "Datahastigheterna i nuvarande cellulära system är upp till en gigabit per sekund i avancerade LTE-nätverk eller 10 gigabit per sekund i den så kallade millimetervågen eller 60 gigahertz-system. Vi förväntar oss datahastigheter i storleksordningen terabits per sekund i terahertz-bandet."

De unika egenskaperna hos grafen, Akyildiz säger, är avgörande för denna antenn – och andra framtida elektroniska enheter.

"Grafen är ett mycket kraftfullt nanomaterial som kommer att dominera våra liv under nästa halvsekel, " sade han. "Det europeiska samfundet kommer att stödja ett mycket stort konsortium som involverar många universitet och företag med en investering på en miljard euro för att bedriva forskning om detta material."

Forskarna har hittills utvärderat många nanoantenndesigner med hjälp av modellerings- och simuleringstekniker i deras laboratorium. Nästa steg blir att faktiskt tillverka en grafennanoantenn och driva den med en transceiver också baserad på grafen.

"Vårt projekt visar att konceptet med grafenbaserade nanoantenner är genomförbart, speciellt när man tar hänsyn till mycket exakta modeller av elektrontransport i grafen, " sa Akyildiz. "Många utmaningar är fortfarande öppna, men detta är ett första steg mot att skapa avancerade nanomaskiner med många tillämpningar inom biomedicin, miljö, industriella och militära områden."