(Phys.org) —Les réseaux de machines à l'échelle nanométrique offrent des applications potentielles intéressantes en médecine, industrie, protection et défense de l'environnement, mais jusqu'à présent, il y avait un très petit problème :la capacité limitée des antennes nanométriques fabriquées à partir de composants métalliques traditionnels.

Avec des antennes fabriquées à partir de matériaux conventionnels comme le cuivre, la communication entre nanomachines de faible puissance serait pratiquement impossible. Mais en tirant parti des propriétés électroniques uniques du matériau connu sous le nom de graphène, les chercheurs pensent maintenant qu'ils sont sur la bonne voie pour connecter des appareils alimentés par de petites quantités d'énergie récupérée.

Basé sur un réseau en nid d'abeilles d'atomes de carbone, Le graphène pourrait générer un type d'onde de surface électronique qui permettrait à des antennes d'un micron de long et de 10 à 11 nanomètres de large de faire le travail d'antennes beaucoup plus grandes. Alors que le fonctionnement des nano-antennes en graphène n'a pas encore été démontré, les chercheurs affirment que leur modélisation et leurs simulations montrent que les nano-réseaux utilisant la nouvelle approche sont réalisables avec le matériau alternatif.

"Nous exploitons la propagation particulière des électrons dans le graphène pour fabriquer une très petite antenne qui peut rayonner à des fréquences beaucoup plus basses que les antennes métalliques classiques de la même taille, " a déclaré Ian Akyildiz, professeur titulaire de la chaire Ken Byers en télécommunications à la School of Electrical and Computer Engineering du Georgia Institute of Technology. "Nous pensons que ce n'est que le début d'un nouveau paradigme de mise en réseau et de communication basé sur l'utilisation du graphène."

Parrainé par la National Science Foundation, la recherche doit être publiée dans la revue Journal IEEE des domaines sélectionnés dans les communications ( IEEE JSAC ). En plus des antennes nanométriques, les chercheurs travaillent également sur des émetteurs-récepteurs nanométriques à base de graphène et sur les protocoles de transmission qui seraient nécessaires à la communication entre les nanomachines.

Le défi des communications est qu'à l'échelle du micron, les antennes métalliques devraient fonctionner à des fréquences de centaines de térahertz. Bien que ces fréquences puissent offrir des avantages en termes de vitesse de communication, leur portée serait limitée par les pertes de propagation à quelques micromètres seulement. Et ils nécessiteraient beaucoup de puissance – plus de puissance que les nanomachines sont susceptibles d'en avoir.

Akyildiz étudie les nanoréseaux depuis la fin des années 1990, et avait conclu que la communication électromagnétique traditionnelle entre ces machines pourrait ne pas être possible. Mais ensuite, lui et son doctorat. étudiant, Josep Jornet – qui a obtenu son diplôme en août 2013 et est maintenant professeur adjoint à l'Université d'État de New York à Buffalo – a commencé à lire sur les propriétés étonnantes du graphène. Ils se sont particulièrement intéressés au comportement des électrons dans les feuilles monocouches du matériau.

"Lorsque les électrons du graphène sont excités par une onde électromagnétique entrante, par exemple, ils commencent à aller et venir, " a expliqué Akyildiz. " En raison des propriétés uniques du graphène, cette oscillation globale de charge électrique se traduit par une onde électromagnétique confinée au-dessus de la couche de graphène."

Connue techniquement sous le nom d'onde de polariton de plasmon de surface (SPP), l'effet permettra aux nano-antennes de fonctionner dans le bas de la gamme de fréquences térahertz, entre 0,1 et 10 terahertz - au lieu des 150 terahertz requis par les antennes en cuivre traditionnelles à l'échelle nanométrique. Pour transmettre, les ondes SPP peuvent être créées en injectant des électrons dans la couche diélectrique sous la feuille de graphène.

Des matériaux tels que l'or, l'argent et d'autres métaux nobles peuvent également soutenir la propagation des ondes SPP, mais seulement à des fréquences beaucoup plus élevées que le graphène. Les matériaux conventionnels comme le cuivre ne supportent pas les vagues.

En permettant la propagation électromagnétique à des fréquences térahertz inférieures, les ondes SPP nécessitent moins d'énergie - les mettant à portée de ce qui pourrait être faisable pour les nanomachines exploitées par la technologie de récupération d'énergie lancée par Zhong Lin Wang, professeur à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech.

"Avec cette antenne, on peut réduire la fréquence de deux ordres de grandeur et les besoins en énergie de quatre ordres de grandeur, " dit Jornet. " En utilisant cette antenne, nous pensons que les techniques de récupération d'énergie développées par le Dr Wang nous donneraient suffisamment de puissance pour créer un lien de communication entre les nanomachines.

Les nanomachines du réseau qu'Akyildiz et Jornet envisagent incluraient plusieurs composants intégrés. En plus des nanogénérateurs récupérateurs d'énergie, il y aurait une détection à l'échelle nanométrique, traitement et mémoire, technologies en cours de développement par d'autres groupes. Le travail d'antenne et d'émetteur-récepteur à l'échelle nanométrique en cours à Georgia Tech permettrait aux appareils de communiquer les informations qu'ils détectent et traitent au monde extérieur.

"Chacun de ces composants aurait une mesure à l'échelle nanométrique, mais au total on aurait une machine mesurant quelques micromètres, " a déclaré Jornet. "Il y aurait beaucoup de compromis dans la consommation d'énergie et la taille."

Au-delà de donner aux nanomachines la capacité de communiquer, des centaines ou des milliers d'ensembles antenne-émetteur-récepteur en graphène pourraient être combinés pour aider les téléphones cellulaires de grande taille et les ordinateurs portables connectés à Internet à communiquer plus rapidement.

"La bande térahertz peut augmenter les débits de données actuels dans les réseaux sans fil de plus de deux ordres de grandeur, " a noté Akyildiz. " Les débits de données dans les systèmes cellulaires actuels peuvent atteindre un gigabit par seconde dans les réseaux avancés LTE ou 10 gigabits par seconde dans les systèmes dits à ondes millimétriques ou 60 gigahertz. Nous nous attendons à des débits de données de l'ordre de térabits par seconde dans la bande des térahertz."

Les propriétés uniques du graphène, Akyildiz dit, sont essentiels à cette antenne - et à d'autres futurs appareils électroniques.

"Le graphène est un nanomatériau très puissant qui dominera nos vies au cours du prochain demi-siècle, ", a-t-il déclaré. "La communauté européenne soutiendra un très grand consortium impliquant de nombreuses universités et entreprises avec un investissement d'un milliard d'euros pour mener des recherches sur ce matériau."

Les chercheurs ont jusqu'à présent évalué de nombreuses conceptions de nano-antennes à l'aide de techniques de modélisation et de simulation dans leur laboratoire. La prochaine étape consistera à fabriquer une nano-antenne en graphène et à la faire fonctionner à l'aide d'un émetteur-récepteur également basé sur le graphène.

"Notre projet montre que le concept de nano-antennes à base de graphène est réalisable, surtout en prenant en compte des modèles très précis de transport d'électrons dans le graphène, " a déclaré Akyildiz. " De nombreux défis restent ouverts, mais c'est un premier pas vers la création de nanomachines avancées avec de nombreuses applications dans le biomédical, environnemental, domaines industriels et militaires."