(Phys.org) —No ano passado, pesquisadores da Universidade Tsinghua em Pequim têm ouvido música em um laptop por meio de um par de fones de ouvido incomuns. Embora os fones de ouvido pareçam comuns, eles não contêm o alto-falante de bobina de metal típico encontrado na maioria dos fones de ouvido, mas sim um chip feito de muitos fios de nanotubos de carbono semelhantes a fios (CNT) com sulcos gravados neles. Por serem fáceis de fabricar, operar com 60 mW de potência, e fornecer uma qualidade de som nítida, os chips baseados em CNT podem ser usados ​​como componentes em uma ampla variedade de alto-falantes, incluindo aqueles encontrados em telefones celulares e laptops.

"O chip termoacústico CNT é baseado em silício, livre de vibração, afinar, e sem magnético, "Yang Wei da Universidade de Tsinghua disse Phys.org . "Ele introduz a nanotecnologia baseada em CNT na indústria de semicondutores convencionais. Essa descoberta irá reduzir muito o custo e, assim, promover a comercialização da nanotecnologia. Dispositivos mais funcionalizados podem ser integrados ao chip termoacústico, pois é baseado em uma pastilha de silício. O alto-falante CNT pode funcionar por muito tempo graças à sua característica de vibração livre. A pequena espessura permite atender a demanda de miniaturização do dispositivo. A desvantagem é a baixa eficiência, conforme indicado pela sensibilidade. Mas o consumo de energia do fone de ouvido CNT é aceitável para produtos eletrônicos de consumo. "

Em seu artigo publicado em uma edição recente da Nano Letras , os pesquisadores explicam que os alto-falantes CNT operam de maneira completamente diferente dos alto-falantes convencionais. A maioria dos alto-falantes produz sons pela vibração mecânica de um material físico, como metal, papel, ou plástico, o que faz com que as partículas de ar ao redor vibrem. Em contraste, os alto-falantes CNT produzem sons devido a uma corrente alternada que aquece periodicamente a matriz de fios CNT, que cria ondas de temperatura no ar circundante. A expansão e contração térmica do ar circundante geram som. Apesar das diferenças entre esses dois métodos de produção de som, o som dos alto-falantes CNT é essencialmente o mesmo gerado pela vibração mecânica.

Os efeitos termoacústicos eram conhecidos já em 1917, quando os físicos H.D. Arnold e I.B. Crandall, trabalhando no Laboratório de Pesquisa da American Telephone and Telegraph Co. e Western Electric Company, Inc., que mais tarde se tornou o Bell Labs, observaram que alimentar uma corrente elétrica em um condutor fino poderia produzir sons e atuar como um termofone.

Contudo, não houve nenhum progresso significativo nos efeitos termoacústicos até 2008, quando uma equipe de pesquisadores da China, incluindo alguns dos autores do artigo atual, fabricou um alto-falante termoacústico feito de um pedaço de filme CNT alinhado. Os pesquisadores descobriram que o uso do material CNT no lugar de um condutor convencional pode amplificar muito o efeito termoacústico devido à capacidade de calor ultrapequena do filme CNT por unidade de área. Desta maneira, as propriedades em nanoescala dos filmes CNT tornaram prático o antigo conceito de termofone.

No artigo atual, os físicos substituíram o filme de CNT de paredes múltiplas alinhadas por matrizes de fios finos de CNT de paredes múltiplas, que possuem uma alta resistência mecânica e rápida resposta térmica semelhante ao filme. As matrizes de fios CNT foram suspensas em uma série de ranhuras que foram padronizadas em um wafer de silício, e eletrodos de prata foram colados nas laterais de cada chip. Os cientistas descobriram que o nível de pressão do som é altamente dependente da profundidade do sulco, que aqui variou de 5 a 200 um, com sulcos mais profundos proporcionando níveis de pressão sonora mais elevados.

Os pesquisadores também determinaram que, de acordo com a teoria das ondas de temperatura, um substrato ou outro objeto que está dentro de um comprimento de onda térmico da matriz pode causar perda de calor e suprimir o som. Mas, desde que o substrato esteja a pelo menos um comprimento de onda térmica de distância da matriz, não interfere na produção de som.

O tamanho de cada chip termoacústico é de 9,5 mm x 9,5 mm, mais ou menos do tamanho de uma unha. Um único chip pode substituir o alto-falante convencional em um fone de ouvido, com o chip termoacústico tendo a vantagem de ser muito mais fino que a bobina. A caixa do fone de ouvido convencional geralmente tem pequenos orifícios na parte traseira para liberar a pressão gerada pela bobina vibratória. Contudo, esses orifícios são desnecessários para o fone de ouvido termoacústico, uma vez que não há componente vibracional, e os pesquisadores descobriram que vedar esses orifícios diminui o vazamento de som, especialmente em baixas frequências.

O fone de ouvido termoacústico nesta fase tem uma eficiência de 48 dB / mW, que não é tão eficiente quanto um fone de ouvido convencional, que tem um valor de cerca de 100 dB / mW. Contudo, como os físicos mencionaram, o consumo de energia de 60 mW é adequado para dispositivos práticos.

Os pesquisadores demonstraram que o chip termoacústico pode ser montado em um circuito integrado e alimentado por um USB. Uma vez que o chip envolve um wafer de silício, os cientistas poderiam empacotar o chip em invólucro de semicondutor padrão, que pode ser facilmente montado na placa PCB por soldagem. No futuro, pode ser possível integrar recursos adicionais, como dispositivos de memória e reprodutores de música.

Os pesquisadores também demonstraram uma matriz de chips de 4 polegadas, consistindo em 69 chips em um wafer de silício. Alto-falantes termoacústicos maiores podem ter diferentes aplicações, que pode incluir dispositivos acústicos de longo alcance e comunicação acústica subaquática.

"Provamos que um chip termoacústico CNT é adequado para ser aplicado em produtos eletrônicos de consumo, mas ainda há muito trabalho a ser feito para comercializar essa tecnologia, "Yang Wei disse." Faremos esforços para otimizar o design do dispositivo e design acústico e reduzir ainda mais o custo. Mais atenção da indústria será útil para a promoção da tecnologia, como não há IC especializado para acionar os alto-falantes termoacústicos, e o fone de ouvido CNT ainda é incompatível com a saída de áudio convencional. "

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