Revolución del grafeno para aplicaciones en el ámbito del audio

Poco más de 15 años después de que un par de investigadores del Reino Unido utilizaran cinta adhesiva para aislar capas atómicas individuales de carbono, conocidas como grafeno, de un trozo de grafito, su descubrimiento, ganador del Premio Nobel, ha impulsado una revolución en la investigación y el desarrollo de materiales ultrafinos.

El grafeno y otros materiales “2D” atómicamente finos exhiben propiedades exóticas que los investigadores esperan aprovechar para una serie de aplicaciones: desde transistores más pequeños empaquetados en procesadores informáticos más potentes y compactos, hasta sensores más pequeños y precisos, pantallas digitales flexibles y una nueva ola de computadores cuánticos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han ayudado a avanzar en esta investigación de los materiales ultrafinos en varios frentes, recurriendo a herramientas y técnicas especializadas para fabricarlos y estudiar su estructura y propiedades a escala nanométrica y atómica.

Ahora una compañía con sede en California llamada GraphAudio está avanzando hacia la comercialización de tecnología de audio basada en grafeno desarrollada por investigadores del Berkeley Lab y de la UC Berkeley en un esfuerzo por estimular una revolución en este sector.

Ramesh Ramchandani, CEO de GraphAudio, dijo que el objetivo de la compañía es utilizar la tecnología licenciada para fabricar componentes de grafeno que otras compañías incorporen en sus productos.

Dijo que espera que la tecnología de GraphAudio, que podría estar disponible para los consumidores dentro de uno o dos años, incluirá componentes de grafeno para auriculares y amplificadores que se integren en productos hechos por fabricantes de productos de audio ya bien establecidos.

La tecnología licenciada por el Berkeley Lab en 2016, que se relaciona con el uso del grafeno en un componente productor de sonido conocido como transductor, podría transformar una variedad de dispositivos, incluyendo altavoces, auriculares y audífonos, micrófonos, sensores autónomos de vehículos y sistemas de ultrasonido y ecolocalización.

“Hemos estado trabajando en materiales y estructuras basadas en grafeno durante varios años, y este transductor es una de las aplicaciones que surgieron de eso“, dijo Alex Zettl, un científico sénior de la facultad en el Laboratorio de Berkeley y profesor de física en UC Berkeley que es co-inventor de la tecnología licenciada por GraphAudio.

El otro inventor es Qin Zhou, un antiguo investigador postdoctoral del Berkeley Lab que ahora es profesor asistente en la Universidad de Nebraska-Lincoln.

El transductor desarrollado a través de la investigación de su equipo utiliza una pequeña película de grafeno de varias capas de espesor llamada membrana que convierte las señales eléctricas en sonido.

“Es como un parche de tambor, con un marco circular y la membrana extendida sobre él“, dijo Zettl.

La membrana de grafeno mide aproximadamente un centímetro de diámetro.

La membrana y el marco de soporte están situados entre electrodos de silicio que se accionan con voltajes alternos.

Los campos eléctricos hacen que la membrana de grafeno vibre y cree sonido de forma eficiente y controlada.

Este diseño, conocido como transductor electrostático, requiere menos piezas y mucha menos energía que los diseños más convencionales, que pueden requerir bobinas eléctricas e imanes.

“Cuando lo tratamos con una señal de audio eléctrica, actúa como un altavoz“, dijo Zettl.

En algunos auriculares populares para los oídos, solo alrededor del 10 por ciento de la energía eléctrica se convierte en sonido mientras que el resto se pierde en forma de calor.

Sin embargo, el transductor de grafeno convierte alrededor del 99 por ciento de la energía en sonido, dijo.

Además, el transductor de grafeno está casi libre de distorsión y tiene una respuesta extremadamente “plana” en un rango muy amplio de frecuencias de sonido, incluso más allá de lo que el oído humano es capaz de oír.

Esto significa que el sonido es de igual calidad en un amplio rango de frecuencias altas y bajas, “no sólo en la banda de audio, sino desde el subsónico hasta el ultrasónico“, dijo Zettl. “Esto no tiene precedentes“.

Debido a este gran ancho de banda, el transductor basado en grafeno podría utilizarse para sistemas de ecolocalización para comunicaciones submarinas, sistemas de ultrasonido para localizar supervivientes en un entorno lleno de escombros y para obtener imágenes de alta calidad de fetos humanos en el útero, por ejemplo.

Y las mismas propiedades que hacen que el transductor de grafeno funcione bien en los altavoces también pueden hacer que los micrófonos sean de alta calidad, señaló Zettl.

“Demostramos ambas tecnologías en nuestro laboratorio. Ambas tienen el potencial de ser comercializadas“.

La compañía afirma que la calidad del sonido de su tecnología es tan clara que es posible seleccionar los tonos de un instrumento individual de una orquesta sinfónica.

Ramchandani señaló que la tecnología de la televisión de pantalla plana casi ha reemplazado a los televisores de tubo de rayos catódicos, más voluminosos y pesados, y espera el mismo tipo de transformación en los productos de audio.

Entre los productos que podrían surgir de la tecnología licenciada de GraphAudio están delgados altavoces de carro incrustados en el techo interior de un vehículo para una mejor experiencia de sonido envolvente, y mejores sensores de auto que se basen en la ecolocalización bidireccional para evitar colisiones de vehículos.

Zettl dijo que su equipo continúa sus esfuerzos de investigación y desarrollo con materiales ultrafinos y nanoestructuras.

Un nuevo impulso en la investigación de su equipo es explorar cómo hacer nuevos tipos de transductores mecánicos con materiales ultrafinos que se fabriquen con propiedades elásticas afinables, habilitados por agujeros o ranuras a nanoescala con patrones precisos.

Además de su uso en nuevas configuraciones de transductores, estas membranas perforadas también podrían ser útiles para aplicaciones que van desde la filtración de agua hasta la secuenciación genética.

Fuente: Noticias de la Ciencia