Université de Californie, Berkeley, les physiciens ont utilisé le graphène pour construire des haut-parleurs et des microphones à ultrasons légers, permettant aux gens d'imiter la capacité des chauves-souris ou des dauphins à utiliser le son pour communiquer et évaluer la distance et la vitesse des objets qui les entourent.

Plus concrètement, les appareils à ultrasons sans fil complètent la transmission radio standard en utilisant des ondes électromagnétiques dans les zones où la radio n'est pas pratique, comme sous l'eau, mais avec une fidélité bien plus grande que les appareils à ultrasons ou sonars actuels. Ils peuvent également être utilisés pour communiquer à travers des objets, comme l'acier, que les ondes électromagnétiques ne peuvent pas pénétrer.

"Les mammifères marins et les chauves-souris utilisent des sons à haute fréquence pour l'écholocalisation et la communication, mais les humains n'ont tout simplement pas pleinement exploité cela auparavant, À mon avis, parce que la technologie n'a pas été là, " a déclaré Alex Zettl, physicien de l'UC Berkeley. "Jusqu'à présent, nous n'avons pas eu de bons émetteurs ou récepteurs d'ultrasons à large bande. Ces nouveaux appareils sont une opportunité technologique."

Les haut-parleurs et les microphones utilisent tous deux des diaphragmes, généralement en papier ou en plastique, qui vibrent pour produire ou détecter un son, respectivement. Les diaphragmes des nouveaux appareils sont des feuilles de graphène d'à peine un atome d'épaisseur qui ont la bonne combinaison de rigidité, robustesse et légèreté pour répondre à des fréquences allant de subsoniques (inférieures à 20 hertz) à ultrasonores (supérieures à 20 kilohertz). Les humains peuvent entendre de 20 hertz à 20, 000 hertz, alors que les chauves-souris n'entendent que dans la gamme des kilohertz, de 9 à 200 kilohertz. Les haut-parleurs et microphones graphème fonctionnent de bien en dessous de 20 hertz à plus de 500 kilohertz.

Le graphène est constitué d'atomes de carbone disposés dans un hexagone, arrangement de grillage, ce qui crée un dur, feuille légère avec des propriétés électroniques uniques qui ont enthousiasmé le monde de la physique au cours des 20 dernières années ou plus.

"On parle beaucoup de l'utilisation du graphène dans l'électronique et les petits dispositifs nanométriques, mais ils sont tous loin, " dit Zettl, qui est scientifique principal au Lawrence Berkeley National Laboratory et membre du Kavli Energy NanoSciences Institute, exploité conjointement par UC Berkeley et Berkeley Lab. "Le microphone et le haut-parleur sont parmi les appareils les plus proches de la viabilité commerciale, parce que nous avons trouvé comment faire le graphène et le monter, et c'est facile à mettre à l'échelle."

Zettl, Le boursier postdoctoral de l'UC Berkeley Qin Zhou et ses collègues décrivent leur microphone au graphène et leur radio à ultrasons dans un article paru en ligne cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Radios et télémètres

Il y a deux ans, Zhou a construit des haut-parleurs en utilisant une feuille de graphène pour le diaphragme, et depuis lors, a développé les circuits électroniques pour construire un microphone avec un diaphragme en graphène similaire.

Un grand avantage du graphène est que la feuille d'une épaisseur d'atome est si légère qu'elle répond immédiatement à une impulsion électronique, contrairement aux microphones et haut-parleurs piézoélectriques d'aujourd'hui. Cela s'avère pratique lors de l'utilisation d'émetteurs et de récepteurs à ultrasons pour transmettre simultanément de grandes quantités d'informations via de nombreux canaux de fréquence différents, ou pour mesurer la distance, comme dans les applications de sonar.

"Parce que notre membrane est si légère, il a une réponse en fréquence extrêmement large et est capable de générer des impulsions nettes et de mesurer la distance beaucoup plus précisément que les méthodes traditionnelles, " dit Zhou.

Les membranes en graphène sont également plus efficaces, convertir plus de 99 % de l'énergie qui alimente l'appareil en son, alors que les haut-parleurs et les écouteurs conventionnels d'aujourd'hui ne convertissent que 8 % en son. Zettl prévoit qu'à l'avenir, les appareils de communication comme les téléphones portables utiliseront non seulement les ondes électromagnétiques - la radio - mais aussi le son acoustique ou ultrasonique, qui peut être très directionnel et à longue portée.

« Le graphène est un matériau magique ; il atteint tous les points forts d'un appareil de communication, " il a dit.

La chauve-souris chante

Quand Zhou a dit à sa femme, Jinglin Zheng, sur le microphone à ultrasons, elle lui a suggéré d'essayer de capturer le son des chauves-souris gazouillant à des fréquences trop élevées pour être entendues par les humains. Ils ont donc transporté le microphone dans un parc de Livermore et l'ont allumé. Lorsqu'ils ont ralenti l'enregistrement à un dixième de la vitesse normale, convertir les hautes fréquences en une gamme audio que les humains peuvent entendre, ils ont été étonnés de la qualité et de la fidélité des vocalisations des chauves-souris.

"C'est assez léger pour être monté sur une chauve-souris et enregistrer ce que la chauve-souris peut entendre, " dit Zhou.

L'expert en chauves-souris Michael Yartsev, un professeur adjoint de bio-ingénierie nouvellement embauché à l'UC Berkeley et membre du Helen Wills Neuroscience Institute, mentionné, "Ces nouveaux microphones seront incroyablement précieux pour étudier les signaux auditifs à hautes fréquences, comme celles utilisées par les chauves-souris. L'utilisation du graphène permet aux auteurs d'obtenir des réponses en fréquence très plates dans une large gamme de fréquences, y compris l'échographie, et permettra une étude détaillée des impulsions auditives utilisées par les chauves-souris."

Zettl a noté que les audiophiles apprécieraient également les haut-parleurs et les écouteurs en graphène, qui ont une réponse plate sur toute la gamme de fréquences audibles.

« Il y a quelques années, cet appareil aurait été presque impossible à construire en raison de la difficulté de fabriquer des feuilles de graphène autonomes, " a déclaré Zettl. "Mais au cours de la dernière décennie, la communauté du graphène s'est réunie pour développer des techniques de croissance, transporter et monter du graphène, donc construire un appareil comme celui-ci est maintenant très simple; la conception est simple."