University of California, Berkeley, fysiker har använt grafen för att bygga lätta ultraljudshögtalare och mikrofoner, gör det möjligt för människor att efterlikna fladdermöss eller delfinernas förmåga att använda ljud för att kommunicera och mäta avståndet och hastigheten på föremål runt dem.

Mer praktiskt taget, de trådlösa ultraljudsenheterna kompletterar standardradioöverföring med elektromagnetiska vågor i områden där radio är opraktiskt, som under vattnet, men med mycket större trohet än nuvarande ultraljud eller ekolod. De kan också användas för att kommunicera genom objekt, som stål, att elektromagnetiska vågor inte kan tränga in.

"Havsdäggdjur och fladdermöss använder högfrekvent ljud för ekolokalisering och kommunikation, men människor har inte helt utnyttjat det förut, enligt min åsikt, eftersom tekniken inte har funnits där, "sa UC Berkeley -fysikern Alex Zettl." Tills nu, vi har inte haft bra ultraljudssändare eller mottagare med bredband. Dessa nya enheter är en teknikmöjlighet. "

Högtalare och mikrofoner använder båda membran, vanligtvis gjord av papper eller plast, som vibrerar för att producera eller upptäcka ljud, respektive. Membranen i de nya enheterna är grafenark som bara är en atom tjocka och har rätt kombination av styvhet, styrka och lätt vikt för att reagera på frekvenser som sträcker sig från subsonisk (under 20 hertz) till ultraljud (över 20 kilohertz). Människor kan höra från 20 hertz upp till 20, 000 hertz, medan fladdermöss bara hör i kilohertz -intervallet, från 9 till 200 kilohertz. Grafemhögtalarna och mikrofonerna fungerar från långt under 20 hertz till över 500 kilohertz.

Grafen består av kolatomer i sexkantiga kycklingtrådsarrangemang, vilket skapar en tuff, lätt ark med unika elektroniska egenskaper som har upphetsat fysikvärlden under de senaste 20 eller fler åren.

"Det pratas mycket om att använda grafen i elektronik och små nanoskalaenheter, men de är alla en bit bort, sa Zettl, som är seniorvetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och medlem av Kavli Energy NanoSciences Institute, drivs gemensamt av UC Berkeley och Berkeley Lab. "Mikrofonen och högtalaren är några av de närmaste enheterna till kommersiell livskraft, eftersom vi har tagit fram hur man gör grafen och monterar det, och det är lätt att skala upp. "

Zettl, UC Berkeley postdoktor Qin Zhou och kollegor beskriver deras grafenmikrofon och ultraljudsradio i ett papper som visas online denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Radio och avståndsmätare

Två år sedan, Zhou byggde högtalare med ett ark grafen för membranet, och har sedan dess utvecklat den elektroniska kretsen för att bygga en mikrofon med ett liknande grafenmembran.

En stor fördel med grafen är att det atomtjocka arket är så lätt att det reagerar direkt på en elektronisk puls, till skillnad från dagens piezoelektriska mikrofoner och högtalare. Detta är praktiskt när ultraljudssändare och mottagare används för att överföra stora mängder information via många olika frekvenskanaler samtidigt, eller för att mäta avstånd, som i ekolodsapplikationer.

"Eftersom vårt membran är så lätt, den har ett extremt brett frekvenssvar och kan generera skarpa pulser och mäta avstånd mycket mer exakt än traditionella metoder, "Sa Zhou.

Grafenmembran är också mer effektiva, omvandla över 99 procent av energin som driver enheten till ljud, medan dagens konventionella högtalare och hörlurar omvandlar endast 8 procent till ljud. Zettl räknar med att i framtiden, kommunikationsenheter som mobiltelefoner använder inte bara elektromagnetiska vågor - radio - utan också akustiskt eller ultraljud, som kan vara mycket riktad och långsträckt.

"Grafen är ett magiskt material; det träffar alla sötpunkter för en kommunikationsenhet, " han sa.

Fladdermuskvitter

När Zhou berättade för sin fru, Jinglin Zheng, om ultraljudsmikrofonen, hon föreslog att han skulle försöka fånga ljudet av fladdermöss som kvittrar vid frekvenser som är för höga för att människor ska höra. Så de drog mikrofonen till en park i Livermore och satte på den. När de bromsade inspelningen till en tiondel normal hastighet, konvertera de höga frekvenserna till ett ljudområde som människor kan höra, de var förvånad över kvaliteten och trovärdigheten hos fladdermusens vokaliseringar.

"Detta är tillräckligt lätt för att montera på en fladdermus och spela in vad fladdermusen kan höra, "Sa Zhou.

Batsexperten Michael Yartsev, en nyanställd UC Berkeley biträdande professor i bioingenjör och medlem av Helen Wills Neuroscience Institute, sa, "De här nya mikrofonerna kommer att vara otroligt värdefulla för att studera hörselsignaler vid höga frekvenser, som de som används av fladdermöss. Användningen av grafen gör att författarna kan få mycket platta frekvenssvar i ett stort antal frekvenser, inklusive ultraljud, och kommer att tillåta en detaljerad studie av de hörselpulser som används av fladdermöss. "

Zettl noterade att audiofiler också skulle uppskatta grafenhögtalarna och hörlurarna, som har ett platt svar över hela det hörbara frekvensområdet.

"För ett antal år sedan, den här enheten skulle ha varit nästan omöjlig att bygga på grund av svårigheten att göra fristående grafenark, "Sade Zettl." Men under det senaste decenniet har grafensamhället samlats för att utveckla tekniker för att växa, transportera och montera grafen, så att bygga en enhet som denna är nu väldigt enkelt; designen är enkel. "