×

Иллюстрация  звуковых волн. (Фото: Мэри Тереза Маклин)

Графен, представляющий собой слой графита толщиной в один атом, и другие атомарно тонкие (условно говоря, «двумерные») материалы демонстрируют экзотические свойства, весьма обнадёживающие исследователей.  Этим свойствам можно найти применение в самых разных областях: от создания мельчайших транзисторов, упакованных в более мощные и компактные компьютерные процессоры, до изготовления более мелких и более точных датчиков, гибких цифровых дисплеев и квантовых компьютеров новой волны.

Учёные из Национальной лаборатории Министерства энергетики имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) в США помогли продвинуть это исследование в области ультратонких материалов по ряду направлений, задействовав специализированные инструменты и методы для их изготовления, а также изучить их структуру и свойства в наноразмерном и атомном масштабе.

Сейчас калифорнийская компания GraphAudio движется к коммерциализации разработанных в Berkeley Lab и UC Berkeley технологий на основе графена, что может повлечь революцию в аудио. И случится это в течение нескольких следующих лет – эта новация будет доступна

Рамеш Рамчандани, генеральный директор GraphAudio, сказал, что целью компании является лицензирование и производство графеновых компонентов, которые другие компании используют в своих продуктах.

Он ожидает, что технология может быть доступна потребителям в течение одного или двух лет. Пока она подразумевает (но не ограничивается этим) изготовление графеновых компонентов для наушников и усилителей для наушников. Разработки будут интегрированы в продукцию именитых производителей ­– признанных лидеров аудиоиндустрии.

Технология, лицензированная Berkeley Lab, относится к использованию графена в звуковом компоненте, известном как преобразователь. Может модифицировать различные устройства, в том числе динамики, наушники-вкладыши и наушники с оголовьем, микрофоны, автономные датчики транспортных средств, а также ультразвуковые системы и системы эхолокации.

«Мы работаем над материалами и структурами на основе графена уже несколько лет, и этот преобразователь является одним из применений, которые из этого вышли», – говорит Алекс Цеттл, старший преподаватель в Berkeley Lab и профессор физики в Калифорнийском университете в Беркли. Он, вместе с Цинь Чжоу, бывшим научным сотрудником лаборатории Беркли, а в настоящее время – доцентом в Университете Небраски-Линкольна, являются со-изобретателями технологии, лицензированной GraphAudio. 

Разработанный преобразователь, использует мембрану, которая преобразует электрические сигналы в звук. Это, конечно, не ново, однако в результате исследований команды, стало возможным изготовить эту мембрану из новейшего, уникального своими свойствами материала. Им стала небольшая графеновая плёнка толщиной в несколько слоев.

«Это что-то вроде головки барабана с круглой рамой и натянутой на нее мембраной», – поясняет Цеттл. Графеновая мембрана имеет размеры около сантиметра в поперечнике. Она и её опорная рама зажаты между электродами на основе кремния, которые приводятся в действие переменным напряжением. Электрические поля заставляют графеновую мембрану вибрировать и создавать звук эффективным, контролируемым образом. Эта конструкция известна как электростатический преобразователь. Другими словами, «когда мы управляем электрическим звуковым сигналом, это действует как громкоговоритель», – говорит Цеттл. И пусть звучит это просто, но на самом деле… стоит лишь обратить внимание на то, что один слой – это один атом, как сложность изделия вырастает на глазах: акустическая мембрана толщиной всего несколько атомов. Ну, каково?!

Приятности нового устройства на этом не заканчиваются. Штука в том, что теперь требуется меньше деталей и гораздо меньше энергии, чем в более традиционных конструкциях, для которых могут потребоваться электрические катушки и магниты. В некоторых популярных наушниках-вкладышах только около 10 процентов электрической энергии преобразуется в звук, а остальная часть теряется в виде тепла. По словам Цеттла, графеновый вариант имеет просто невероятный КПД: он преобразует около 99 процентов энергии в аудиосигнал!

Кроме того, графеновый преобразователь практически не имеет искажений и у него чрезвычайно «ровный» отклик в очень широком диапазоне звуковых частот – куда большем, чем мы способны услышать: «Не только в звуковом диапазоне, но и от инфразвукового до ультразвукового», – уточняет Цеттл. А это пророчит рай для аудио-гурманов: звук одинакового качества в широком диапазоне высоких и низких частот. «Это беспрецедентно», – заверяют исследователи.

Но, как говорится, не искусством единым… Благодаря большой полосе пропускания преобразователь на основе графена может быть полезен в системах эхолокации для подводной связи, ультразвуковых систем для определения местоположения выживших в катастрофах и окруженных обломками, для высококачественной визуализации человеческих плодов в утробе матери и других медицинских исследований.

Отмечается, что те же свойства, которые обеспечивают работу графенового преобразователя в динамиках, могут быть полезны и для высококачественных микрофонов. «Мы продемонстрировали обе технологии в нашей лаборатории. Оба имеют потенциал для коммерциализации», – говорит Алекс Цеттл.

Первые образцы своих наушников и микрофонов GraphAudio продемонстрировала на выставке Consumer Electronics Show в январе. Потенциал и возможности изделий привели к продуктивным дискуссиям с другими производителями аудио и намечающимся партнерствам. А также, как не без удовольствия замечает директор GraphAudio Рамеш Рамчандани, выставка позволила услышать впечатления будущих потребителей, большинство из которых звучали как «Вау!».

Компания утверждает, что её технология выдаёт звук настолько кристально чистого качества, что можно выделить-разобрать-расслышать отдельные тоны инструмента из симфонического оркестра!

Рамчандани сравнил графеновое детище с революцией в устройстве телевизора. Он отмечает, что плоские экраны почти вытеснили громоздкие и тяжёлые электронно-лучевые трубки (речь о телевизорах с кинескопами), и он ожидает такого же преобразования в аудиопродукции.

Среди устройств, которые могут появиться в результате технологии GraphAudio, ­– тонкие автомобильные динамики, встроенные в потолок салона автомобиля для улучшения восприятия окружающего звука, и улучшенные автомобильные датчики, использующие двустороннюю эхолокацию для предотвращения столкновений автомобилей.

Команда продолжает свои исследования и разработки в области ультратонких материалов и наноструктур. Новое направление работы состоит в том, чтобы научиться создавать новые типы механических преобразователей из ультратонких материалов, которые изготавливаются с настраиваемыми упругими свойствами. Есть предположение, что задумка может получиться благодаря точным рисункам наноразмерных отверстий или прорезей на этих мембранах. К тому же, в дополнение к их использованию в новых конфигурациях преобразователей, такие перфорированные элементы могут быть полезны для применений в различных областях – от фильтрации воды до генетического секвенирования.

Члены команды работают по специальностям от химии и физики до машиностроения и материаловедения. Исследователи часто пользуются молекулярной литейной лабораторией Berkeley Lab, научным заводом наноразмерных элементов; Advanced Light Source, который производит световые лучи, позволяющие изучить материалы в крошечных масштабах. В арсенале исследовательской группы столь гигантский по значению инструмент, как микроскопы с атомным разрешением для исследования структуры ультратонких материалов, рентгеновское излучение для изучения других свойств, которые могут сделать материалы подходящими для конкретных применений.

«Я не смог бы выполнить эту работу без студентов, докторантов и учреждений», – сказал Цеттл. «Это приятно – видеть эту полную прогрессию, ­– чтобы быть способным работать над вещами, которые имеют реальные применения и общественные выгоды. Я взволнован возможностью увидеть, как эти явления вытекают одно из другого. Для меня это персональная награда».


По материалам Berkeley Lab