Drygt 15 år sedan ett par forskare i Storbritannien använde tejp för att isolera enskilda atomlager av kol, känd som grafen, från en bit grafit, deras Nobelprisvinnande upptäckt har gett upphov till en revolution inom ultratunna FoU-material.

Grafen och andra atomiskt tunna "2-D" -material uppvisar exotiska egenskaper som forskare hoppas kunna utnyttja för en rad applikationer-från tunnare transistorer förpackade till mer kraftfulla och kompakta datorprocessorer, till mindre och mer exakta sensorer, flexibla digitala skärmar, och en ny våg av kvantdatorer.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hjälpt till att föra denna forskning till ultratunna material på ett antal fronter, anlita specialiserade verktyg och tekniker för att göra dem och studera deras struktur och egenskaper på nanoskala och atomskala.

Nu går ett Kalifornienbaserat företag som heter GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) mot kommersialisering av grafenbaserad ljudteknik som utvecklats av forskare vid Berkeley Lab och UC Berkeley i ett försök att stimulera en ljudrevolution.

Ramesh Ramchandani, GraphAudio VD, sade företagets mål är att använda den licensierade tekniken för att tillverka grafenkomponenter som andra företag införlivar i sina produkter.

Han sa att han förväntar sig att GraphAudios teknik-som kan vara tillgänglig för konsumenterna inom ett eller två år-kommer att vara grafenkomponenter i hörlurar och förstärkare som är integrerade i produkter tillverkade av etablerade tillverkare av ljudprodukter.

Tekniken licensierades från Berkeley Lab 2016, som avser användningen av grafen i en ljudproducerande komponent som kallas en givare, kan omvandla en mängd olika enheter, inklusive högtalare, hörlurar och hörlurar, mikrofoner, autonoma fordonssensorer, och ultraljuds- och ekolokationssystem.

"Vi har arbetat med grafenbaserade material och strukturer i ett antal år nu, och denna givare är en av applikationerna som kom ut ur det, sa Alex Zettl, en senior fakultetsvetare vid Berkeley Lab och en fysikprofessor vid UC Berkeley som är en meduppfinnar av tekniken licensierad av GraphAudio. Den andra uppfinnaren är Qin Zhou, en tidigare postdoktoral forskare i Berkeley Lab som nu är biträdande professor vid University of Nebraska-Lincoln.

Omvandlaren som utvecklats genom teamets forskning använder en liten, flera lager tjock grafenfilm kallad ett membran som omvandlar elektriska signaler till ljud.

"Det är ungefär som ett trumhuvud, med en cirkulär ram och membranet sträckt över det, "Sade Zettl. Grafenmembranet mäter ungefär en centimeter över. Membranet och stödramen är inklämda mellan kiselbaserade elektroder som drivs med växelspänning.

De elektriska fälten gör att grafenmembranet vibrerar och skapar ljud i ett effektivt, kontrollerat sätt. Denna design, känd som en elektrostatisk givare, kräver färre delar och mycket mindre energi än mer konventionella konstruktioner, som kan kräva elektriska spolar och magneter.

"När vi kör den med en elektrisk ljudsignal, den fungerar som en högtalare, "Sa Zettl.

I några populära in-ear-hörlurar, bara cirka 10 procent av elektrisk energi omvandlas till ljud medan resten går förlorad som värme. Grafenomvandlaren, fastän, omvandlar cirka 99 procent av energin till ljud, han sa.

Också, grafenomvandlaren är nästan distorsionsfri och har en extremt "platt" respons över ett mycket brett spektrum av ljudfrekvenser-även långt utöver vad det mänskliga örat kan höra. Detta innebär att ljudet är av lika kvalitet över ett brett spektrum av höga och låga frekvenser - "inte bara i ljudbandet, men från subsonisk hela vägen till ultraljud, "Sade Zettl." Det här är ganska mycket utan motstycke. "

På grund av denna stora bandbredd, den grafenbaserade givaren kan användas för ekolokaliseringssystem för ubåtskommunikation, ultraljudssystem för att lokalisera överlevande i en stenströad miljö, och för högkvalitativ avbildning av mänskliga foster i livmodern, som exempel.

Och samma egenskaper som gör att grafenomvandlaren fungerar bra i högtalare kan också göra mikrofoner av hög kvalitet, Zettl noterade. "Vi demonstrerade båda teknikerna i vårt labb. Båda har potential att bli kommersialiserade."

Ramchandani från GraphAudio sa att GraphAudios exempel på hörlurar och mikrofoner som företaget demonstrerade på Consumer Electronics Show i januari resulterade i några produktiva diskussioner med potentiella partners, och några konsumentupplevelser som han sa framkallade ett "Wow" -svar.

Företaget hävdar att ljudkvaliteten i dess teknik är så kristallklar att det är möjligt att välja ett enskilt instruments toner från en symfoniorkester.

Ramchandani noterade att platt-tv-teknik nästan har ersatt bulkigare och tyngre katodstrålerörs-TV, och han förväntar sig samma typ av transformation i ljudprodukter.

Bland de produkter som kan komma fram från GraphAudios licensierade teknik finns tunna bilhögtalare inbäddade i ett fordons innertak för en förbättrad surroundljudsupplevelse, och förbättrade bilsensorer som är beroende av tvåvägs ekolokalisering för att undvika bilkollisioner.

Zettl sa att hans team fortsätter sina FoU -insatser med ultratunna material och nanostrukturer.

Hans teammedlemmar har specialiteter från kemi och fysik till maskinteknik och materialvetenskap, och forskarna är vanliga användare av Berkeley Labs Molecular Foundry, en vetenskaplig anläggning i nanoskala; och den avancerade ljuskällan, som producerar ljusstrålar som kan användas för att studera material i små skalor.

"Jag skulle inte kunna utföra något av detta arbete utan studenterna och postdoktorala forskare och de faciliteter som finns här på Berkeley Lab, "Sa Zettl.

Medlemmar av hans forskargrupp använder rutinmässigt atomupplösta mikroskop vid Molecular Foundry för att utforska strukturen för ultratunna material, till exempel. Och teammedlemmar använder också röntgenstrålar från Advanced Light Source för att undersöka andra egenskaper hos material som kan göra dem väl lämpade för specifika applikationer, noterade han.

En ny inriktning i hans teams forskning är att utforska hur man gör nya typer av mekaniska givare med ultratunna material som är tillverkade med avstämbara elastiska egenskaper - möjliggjort av exakt mönstrade nanoskala hål eller slitsar.

Förutom deras användning i nya givarkonfigurationer, sådana perforerade membran kan också vara användbara för applikationer som sträcker sig från vattenfiltrering till genetisk sekvensering.

"För att kunna arbeta med saker som har verkliga applikationer och allmänna fördelar - det är trevligt att se den fulla utvecklingen, "Zettle sa." Jag är glad över att kunna se dessa applikationer komma ur detta. För mig är det personligen givande. "

Företaget demonstrerade tekniken vid 2020 Consumer Electronics Show (CES) i januari.