(Phys.org) - Redes de máquinas em escala nanométrica oferecem aplicações potenciais interessantes na medicina, indústria, proteção e defesa ambiental, mas até agora havia um problema muito pequeno:a capacidade limitada das antenas em nanoescala fabricadas com componentes metálicos tradicionais.

Com antenas feitas de materiais convencionais como cobre, a comunicação entre nanomáquinas de baixa potência seria virtualmente impossível. Mas, aproveitando as propriedades eletrônicas únicas do material conhecido como grafeno, os pesquisadores agora acreditam que estão no caminho certo para conectar dispositivos alimentados por pequenas quantidades de energia eliminada.

Com base em uma rede de átomos de carbono em favo de mel, o grafeno poderia gerar um tipo de onda de superfície eletrônica que permitiria que antenas de apenas um mícron de comprimento e 10 a 11 nanômetros de largura fizessem o trabalho de antenas muito maiores. Embora operando nanoantenas de grafeno ainda não foram demonstradas, os pesquisadores dizem que suas modelagens e simulações mostram que nanorredes usando a nova abordagem são viáveis ​​com o material alternativo.

"Estamos explorando a propagação peculiar de elétrons no grafeno para fazer uma antena muito pequena que pode irradiar em frequências muito mais baixas do que as antenas metálicas clássicas do mesmo tamanho, "disse Ian Akyildiz, um professor da cadeira Ken Byers em Telecomunicações na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Acreditamos que este é apenas o começo de um novo paradigma de rede e comunicação baseado no uso de grafeno."

Patrocinado pela National Science Foundation, a pesquisa está programada para ser publicada no jornal Jornal IEEE de áreas selecionadas em comunicações ( IEEE JSAC ) Além das antenas em nanoescala, os pesquisadores também estão trabalhando em transceptores em nanoescala baseados em grafeno e nos protocolos de transmissão que seriam necessários para a comunicação entre nanomáquinas.

O desafio da comunicação é aquele em escala de mícron, as antenas metálicas teriam que operar em frequências de centenas de terahertz. Embora essas frequências possam oferecer vantagens na velocidade de comunicação, seu alcance seria limitado por perdas de propagação a apenas alguns micrômetros. E eles exigiriam muita energia - mais energia do que as nanomáquinas provavelmente terão.

Akyildiz estudou nanonetworks desde o final dos anos 1990, e concluiu que a comunicação eletromagnética tradicional entre essas máquinas pode não ser possível. Mas então ele e seu Ph.D. aluna, Josep Jornet - que se formou em agosto de 2013 e agora é professor assistente na State University of New York em Buffalo - começou a ler sobre as incríveis propriedades do grafeno. Eles estavam especialmente interessados ​​em como os elétrons se comportam em folhas de uma única camada do material.

"Quando os elétrons do grafeno são excitados por uma onda eletromagnética de entrada, por exemplo, eles começam a se mover para frente e para trás, "explicou Akyildiz." Por causa das propriedades únicas do grafeno, esta oscilação global de carga elétrica resulta em uma onda eletromagnética confinada no topo da camada de grafeno. "

Conhecida tecnicamente como onda de polariton de plasma de superfície (SPP), o efeito permitirá que as nanoantenas operem na extremidade inferior da faixa de frequência de terahertz, entre 0,1 e 10 terahertz - em vez de 150 terahertz exigidos pelas antenas de cobre tradicionais em tamanhos de nanoescala. Para transmitir, as ondas SPP podem ser criadas injetando elétrons na camada dielétrica abaixo da folha de grafeno.

Materiais como ouro, prata e outros metais nobres também podem apoiar a propagação de ondas SPP, mas apenas em frequências muito mais altas do que o grafeno. Materiais convencionais como o cobre não suportam as ondas.

Ao permitir a propagação eletromagnética em frequências terahertz mais baixas, as ondas SPP requerem menos energia - colocando-as dentro do alcance do que seria viável para nanomáquinas operadas por tecnologia de coleta de energia desenvolvida por Zhong Lin Wang, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech.

"Com esta antena, podemos cortar a frequência em duas ordens de magnitude e cortar as necessidades de energia em quatro ordens de magnitude, "disse Jornet." Usando esta antena, acreditamos que as técnicas de coleta de energia desenvolvidas pelo Dr. Wang nos dariam energia suficiente para criar um link de comunicação entre nanomáquinas. "

As nanomáquinas na rede que Akyildiz e Jornet imaginam incluiriam vários componentes integrados. Além dos nanogeradores de captação de energia, haveria sensoriamento em nanoescala, processamento e memória, tecnologias que estão sendo desenvolvidas por outros grupos. A antena em nanoescala e o trabalho do transceptor que estão sendo feitos na Georgia Tech permitiriam que os dispositivos comunicassem as informações que detectam e processam para o mundo exterior.

“Cada um desses componentes teria uma medição em nanoescala, mas no total teríamos uma máquina medindo alguns micrômetros, "disse Jornet." Haveria muitas compensações no uso de energia e no tamanho. "

Além de dar às nanomáquinas a capacidade de se comunicar, centenas ou milhares de conjuntos de transceptores de antena de grafeno podem ser combinados para ajudar telefones celulares de tamanho normal e laptops conectados à Internet a se comunicarem mais rapidamente.

"A banda terahertz pode aumentar as taxas de dados atuais em redes sem fio em mais de duas ordens de magnitude, "Akyildiz observou." As taxas de dados nos sistemas celulares atuais são de até um gigabit por segundo em redes LTE avançadas ou 10 gigabits por segundo na chamada onda milimétrica ou sistemas de 60 gigahertz. Esperamos taxas de dados da ordem de terabits por segundo na banda de terahertz. "

As propriedades únicas do grafeno, Akyildiz diz, são essenciais para esta antena - e outros dispositivos eletrônicos futuros.

"O grafeno é um nanomaterial muito poderoso que dominará nossas vidas na próxima metade do século, ", disse ele." A comunidade europeia apoiará um consórcio muito grande envolvendo muitas universidades e empresas com um investimento de um bilhão de euros para conduzir pesquisas neste material. "

Os pesquisadores avaliaram até agora vários projetos de nanoantenas usando técnicas de modelagem e simulação em seu laboratório. O próximo passo será realmente fabricar uma nanoantena de grafeno e operá-la usando um transceptor também baseado em grafeno.

“Nosso projeto mostra que o conceito de nanoantenas baseadas em grafeno é viável, especialmente quando se leva em consideração modelos muito precisos de transporte de elétrons no grafeno, "disse Akyildiz." Muitos desafios permanecem em aberto, mas este é um primeiro passo para a criação de nanomáquinas avançadas com muitas aplicações na área biomédica, de Meio Ambiente, campos industriais e militares. "