Universidade da Califórnia, Berkeley, físicos têm usado o grafeno para construir alto-falantes ultrassônicos e microfones leves, permitindo que as pessoas imitem a habilidade de morcegos ou golfinhos de usar o som para se comunicar e medir a distância e a velocidade dos objetos ao seu redor.

Mais praticamente, os dispositivos de ultrassom sem fio complementam a transmissão de rádio padrão usando ondas eletromagnéticas em áreas onde o rádio é impraticável, como debaixo d'água, mas com muito mais fidelidade do que os atuais dispositivos de ultrassom ou sonar. Eles também podem ser usados ​​para se comunicar por meio de objetos, como aço, que as ondas eletromagnéticas não podem penetrar.

"Mamíferos marinhos e morcegos usam som de alta frequência para ecolocalização e comunicação, mas os humanos simplesmente não exploraram isso completamente antes, Na minha opinião, porque a tecnologia não existia, "disse o físico Alex Zettl da UC Berkeley." Até agora, não temos bons transmissores ou receptores de ultra-som de banda larga. Esses novos dispositivos são uma oportunidade de tecnologia. "

Alto-falantes e microfones usam diafragmas, normalmente feito de papel ou plástico, que vibram para produzir ou detectar som, respectivamente. Os diafragmas nos novos dispositivos são folhas de grafeno com apenas um átomo de espessura que têm a combinação certa de rigidez, força e peso leve para responder a frequências que variam de subsônico (abaixo de 20 hertz) a ultrassônico (acima de 20 quilohertz). Os humanos podem ouvir de 20 hertz a 20, 000 hertz, enquanto os morcegos ouvem apenas na faixa de quilohertz, de 9 a 200 quilohertz. Os alto-falantes e microfones grafema operam de bem abaixo de 20 hertz a mais de 500 quilohertz.

O grafeno consiste em átomos de carbono dispostos em um hexagonal, arranjo de tela de galinheiro, o que cria uma dificuldade, folha leve com propriedades eletrônicas exclusivas que entusiasmaram o mundo da física nos últimos 20 ou mais anos.

"Fala-se muito sobre o uso de grafeno em aparelhos eletrônicos e em pequenos dispositivos em nanoescala, mas eles estão todos muito longe, "disse Zettl, que é um cientista sênior no Lawrence Berkeley National Laboratory e membro do Kavli Energy NanoSciences Institute, operado em conjunto pela UC Berkeley e Berkeley Lab. “O microfone e o alto-falante são alguns dos dispositivos mais próximos da viabilidade comercial, porque descobrimos como fazer o grafeno e montá-lo, e é fácil de aumentar. "

Zettl, Qin Zhou, colega de pós-doutorado da UC Berkeley, e colegas descrevem seu microfone de grafeno e rádio ultrassônico em um artigo publicado online esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Rádios e telêmetros

Dois anos atrás, Zhou construiu alto-falantes usando uma folha de grafeno para o diafragma, e desde então vem desenvolvendo o circuito eletrônico para construir um microfone com um diafragma de grafeno semelhante.

Uma grande vantagem do grafeno é que a folha com a espessura de um átomo é tão leve que responde imediatamente a um pulso eletrônico, ao contrário dos microfones e alto-falantes piezoelétricos de hoje. Isso é útil ao usar transmissores e receptores ultrassônicos para transmitir grandes quantidades de informações através de muitos canais de frequência diferentes simultaneamente, ou para medir a distância, como em aplicações de sonar.

"Porque nossa membrana é tão leve, ele tem uma resposta de frequência extremamente ampla e é capaz de gerar pulsos nítidos e medir distâncias com muito mais precisão do que os métodos tradicionais, "Zhou disse.

As membranas de grafeno também são mais eficientes, convertendo mais de 99 por cento da energia que conduz o dispositivo em som, enquanto os alto-falantes e fones de ouvido convencionais convertem apenas 8% em som. Zettl antecipa que, no futuro, dispositivos de comunicação como telefones celulares utilizarão não apenas ondas eletromagnéticas - rádio - mas também sons acústicos ou ultrassônicos, que pode ser altamente direcional e de longo alcance.

"O grafeno é um material mágico; atinge todos os pontos ideais para um dispositivo de comunicação, " ele disse.

Chilreios de morcego

Quando Zhou disse a sua esposa, Jinglin Zheng, sobre o microfone de ultrassom, ela sugeriu que ele tentasse capturar o som dos morcegos cantando em frequências altas demais para os humanos ouvirem. Então eles levaram o microfone a um parque em Livermore e o ligaram. Quando eles desaceleraram a gravação para um décimo da velocidade normal, converter as altas frequências para uma faixa de áudio que os humanos podem ouvir, eles ficaram surpresos com a qualidade e fidelidade das vocalizações do morcego.

"Isso é leve o suficiente para montar em um morcego e registrar o que o morcego pode ouvir, "Zhou disse.

O especialista em morcegos Michael Yartsev, um recém-contratado professor assistente de bioengenharia da UC Berkeley e membro do Helen Wills Neuroscience Institute, disse, "Esses novos microfones serão incrivelmente valiosos para estudar sinais auditivos em altas frequências, como os usados ​​por morcegos. O uso do grafeno permite aos autores obter respostas de frequência muito planas em uma ampla gama de frequências, incluindo ultrassom, e permitirá um estudo detalhado dos pulsos auditivos que são usados ​​pelos morcegos. "

Zettl observou que os audiófilos também apreciariam os alto-falantes e fones de ouvido de grafeno, que têm uma resposta plana em toda a faixa de frequência audível.

"Alguns anos atrás, este dispositivo teria sido quase impossível de construir devido à dificuldade de fazer folhas de grafeno independentes, "Disse Zettl." Mas, na última década, a comunidade do grafeno se uniu para desenvolver técnicas de crescimento, transportar e montar grafeno, portanto, construir um dispositivo como esse agora é muito simples; o design é simples. "