Un peu plus de 15 ans depuis que quelques chercheurs au Royaume-Uni ont utilisé du ruban adhésif pour isoler des couches atomiques uniques de carbone, connu sous le nom de graphène, à partir d'un morceau de graphite, leur découverte lauréate du prix Nobel a alimenté une révolution dans la R&D sur les matériaux ultrafins.

Le graphène et d'autres matériaux « 2D » atomiquement minces présentent des propriétés exotiques que les chercheurs espèrent exploiter pour une gamme d'applications, des plus petits transistors aux processeurs informatiques plus puissants et plus compacts, à des capteurs plus petits et plus précis, affichages numériques flexibles, et une nouvelle vague d'ordinateurs quantiques.

Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont contribué à faire avancer cette recherche sur les matériaux ultrafins sur plusieurs fronts, faire appel à des outils et des techniques spécialisés pour les fabriquer et étudier leur structure et leurs propriétés à l'échelle nanométrique et atomique.

Aujourd'hui, une société californienne appelée GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) s'oriente vers la commercialisation d'une technologie audio à base de graphène développée par des chercheurs du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley dans le but de stimuler une révolution audio.

Ramesh Ramchandani, PDG de GraphAudio, a déclaré que l'objectif de la société est d'utiliser la technologie sous licence pour fabriquer des composants en graphène que d'autres sociétés intègrent dans leurs produits.

Il a déclaré qu'il s'attend à ce que la technologie de GraphAudio, qui pourrait être disponible pour les consommateurs d'ici un ou deux ans, soit des composants de graphène dans des écouteurs et des amplificateurs intégrés aux produits fabriqués par des fabricants de produits audio établis.

La technologie sous licence de Berkeley Lab en 2016, qui concerne l'utilisation de graphène dans un composant produisant du son appelé transducteur, pourrait transformer une variété d'appareils, y compris les haut-parleurs, écouteurs et écouteurs, micros, capteurs de véhicules autonomes, et les systèmes à ultrasons et d'écholocalisation.

« Nous travaillons depuis plusieurs années sur des matériaux et des structures à base de graphène, et ce transducteur est l'une des applications qui en a découlé, " a déclaré Alex Zettl, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley, co-inventeur de la technologie sous licence de GraphAudio. L'autre inventeur est Qin Zhou, un ancien chercheur postdoctoral du Berkeley Lab qui est maintenant professeur adjoint à l'Université du Nebraska-Lincoln.

Le transducteur développé grâce aux recherches de leur équipe utilise un petit film de graphène de plusieurs couches d'épaisseur appelé membrane qui convertit les signaux électriques en son.

"C'est un peu comme une peau de tambour, avec un cadre circulaire et la membrane tendue dessus, ", a déclaré Zettl. La membrane de graphène mesure environ un centimètre de diamètre. La membrane et le cadre de support sont pris en sandwich entre des électrodes à base de silicium alimentées par des tensions alternatives.

Les champs électriques font vibrer la membrane de graphène et créent du son de manière efficace, manière contrôlée. Cette conception, connu sous le nom de transducteur électrostatique, nécessite moins de pièces et beaucoup moins d'énergie que les conceptions plus conventionnelles, qui peut nécessiter des bobines électriques et des aimants.

"Quand nous le conduisons avec un signal audio électrique, il fait office de haut-parleur, " a déclaré Zettl.

Dans certains écouteurs intra-auriculaires populaires, seulement environ 10 pour cent de l'énergie électrique est convertie en son tandis que le reste est perdu sous forme de chaleur. Le transducteur en graphène, bien que, convertit environ 99% de l'énergie en son, il a dit.

Aussi, le transducteur en graphène est presque sans distorsion et a une réponse extrêmement « plate » sur une très large gamme de fréquences sonores, même bien au-delà de ce que l'oreille humaine est capable d'entendre. Cela signifie que le son est de qualité égale sur une large gamme de fréquences hautes et basses - "pas seulement dans la bande audio, mais du subsonique jusqu'aux ultrasons, " a déclaré Zettl. "C'est à peu près sans précédent."

En raison de cette large bande passante, le transducteur à base de graphène pourrait être utilisé pour les systèmes d'écholocalisation pour les communications sous-marines, des systèmes à ultrasons pour localiser les survivants dans un environnement jonché de gravats, et pour l'imagerie de haute qualité des fœtus humains dans l'utérus, comme exemples.

Et les mêmes propriétés qui font que le transducteur en graphène fonctionne bien dans les haut-parleurs peuvent également faire des microphones de haute qualité, a noté Zettl. « Nous avons fait la démonstration des deux technologies dans notre laboratoire. Les deux ont le potentiel d'être commercialisées.

Ramchandani de GraphAudio a déclaré que les exemples d'écouteurs et de microphones de GraphAudio que la société a présentés au Consumer Electronics Show en janvier ont donné lieu à des discussions productives avec des partenaires potentiels, et certaines expériences de consommation qui, selon lui, ont suscité une réponse « Wow ».

La société affirme que la qualité sonore de sa technologie est si claire qu'il est possible de choisir les sons d'un instrument individuel à partir d'un orchestre symphonique.

Ramchandani a noté que la technologie de télévision à écran plat a pratiquement remplacé les téléviseurs à tube cathodique plus volumineux et plus lourds, et il s'attend au même type de transformation des produits audio.

Parmi les produits qui pourraient émerger de la technologie sous licence de GraphAudio figurent des haut-parleurs de voiture minces intégrés dans le plafond intérieur d'un véhicule pour une expérience de son surround améliorée, et des capteurs de voiture améliorés qui reposent sur l'écholocation bidirectionnelle pour éviter les collisions de véhicules.

Zettl a déclaré que son équipe poursuivait ses efforts de R&D avec des matériaux ultrafins et des nanostructures.

Les membres de son équipe ont des spécialités allant de la chimie et de la physique au génie mécanique et à la science des matériaux, et les chercheurs sont des utilisateurs fréquents de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation scientifique à l'échelle nanométrique; et la source lumineuse avancée, qui produit des faisceaux lumineux qui peuvent être utilisés pour étudier des matériaux à de minuscules échelles.

« Je ne serais pas en mesure de faire ce travail sans les étudiants et les chercheurs postdoctoraux et les installations qui sont ici à Berkeley Lab, " a déclaré Zettl.

Les membres de son équipe de recherche utilisent régulièrement des microscopes à résolution atomique à la Molecular Foundry pour explorer la structure des matériaux ultrafins, par exemple. Et les membres de l'équipe utilisent également les rayons X produits par la source lumineuse avancée pour examiner d'autres propriétés des matériaux qui pourraient les rendre bien adaptés à des applications particulières, il a noté.

Un nouvel axe de recherche de son équipe est d'explorer comment fabriquer de nouveaux types de transducteurs mécaniques avec des matériaux ultrafins qui sont fabriqués avec des propriétés élastiques ajustables, rendues possibles par des trous ou des fentes à l'échelle nanométrique avec précision.

En plus de leur utilisation dans de nouvelles configurations de transducteurs, de telles membranes perforées pourraient également être utiles pour des applications allant de la filtration de l'eau au séquençage génétique.

"Pour pouvoir travailler sur des choses qui ont de vraies applications et des avantages publics, c'est agréable de voir cette progression complète, " Zettle a déclaré. "Je suis ravi de pouvoir voir ces applications en sortir. Pour moi, c'est personnellement gratifiant."

La société a présenté la technologie au Consumer Electronics Show (CES) 2020 en janvier.