Pouco mais de 15 anos desde que alguns pesquisadores no Reino Unido usaram fita adesiva para isolar camadas atômicas únicas de carbono, conhecidas como grafeno, de um pedaço de grafite, sua descoberta ganhadora do Prêmio Nobel alimentou uma revolução na pesquisa e desenvolvimento de materiais ultrafinos.
O grafeno e outros materiais “2-D” atomicamente finos exibem propriedades exóticas que os pesquisadores esperam explorar em diversas aplicações – desde transistores menores embalados em processadores de computador mais potentes e compactos, até sensores menores e mais precisos, displays digitais flexíveis e uma nova onda de computadores quânticos.
Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) ajudaram a avançar esta pesquisa em materiais ultrafinos em várias frentes, recrutando ferramentas e técnicas especializadas para produzi-los e estudando sua estrutura e propriedades em escala nano e atômica. .
Agora, uma empresa da Califórnia chamada GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) está se movendo para comercializar a tecnologia de áudio baseada em grafeno, desenvolvida por pesquisadores do Berkeley Lab e da UC Berkeley, em um esforço para estimular uma revolução no áudio.
Ramesh Ramchandani, CEO da GraphAudio, disse que o objetivo da empresa é usar a tecnologia licenciada para fabricar componentes de grafeno que outras empresas incorporam em seus produtos.
Ele disse que espera que a tecnologia da GraphAudio – que pode estar disponível para os consumidores dentro de um ou dois anos – seja componentes de grafeno em fones de ouvido e amplificadores integrados a produtos fabricados por fabricantes de produtos de áudio estabelecidos.
A tecnologia licenciada pelo Berkeley Lab em 2016, que se refere ao uso de grafeno em um componente de produção de som conhecido como transdutor, pode transformar uma variedade de dispositivos, incluindo alto-falantes, fones de ouvido e fones de ouvido, microfones, sensores autônomos de veículos e sensores ultrassônicos e sistemas de ecolocalização.
“Trabalhamos com materiais e estruturas à base de grafeno há vários anos, e esse transdutor é uma das aplicações que surgiram”, disse Alex Zettl, cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física da Universidade de Berkeley. UC Berkeley, co-inventora da tecnologia licenciada pelo GraphAudio. O outro inventor é Qin Zhou, um ex-pesquisador de pós-doutorado do Berkeley Lab que agora é professor assistente na Universidade de Nebraska-Lincoln.
O transdutor desenvolvido através da pesquisa de sua equipe usa um pequeno filme de grafeno com várias camadas de espessura chamado membrana que converte sinais elétricos em som.
“É como uma cabeça de tambor, com uma moldura circular e a membrana esticada sobre ela”, disse Zettl. A membrana de grafeno mede cerca de um centímetro de diâmetro. A membrana e a estrutura de suporte são imprensadas entre eletrodos à base de silicone que são acionados com tensões alternadas.
Os campos elétricos fazem com que a membrana de grafeno vibre e crie som de maneira eficiente e controlada. Esse projeto, conhecido como transdutor eletrostático, requer menos peças e muito menos energia do que os projetos mais convencionais, que podem exigir bobinas elétricas e ímãs.
“Quando o acionamos com um sinal de áudio elétrico, ele atua como um alto-falante”, disse Zettl.
Em alguns fones de ouvido intra-auriculares populares, apenas 10% da energia elétrica é convertida em som enquanto o restante é perdido como calor. O transdutor de grafeno, no entanto, converte cerca de 99% da energia em som, disse ele.
Além disso, o transdutor de grafeno é quase livre de distorção e possui uma resposta extremamente “achatada” em uma faixa muito ampla de frequências sonoras – muito além do que o ouvido humano é capaz de ouvir. Isso significa que o som é de igual qualidade em uma ampla gama de frequências altas e baixas – “não apenas na faixa de áudio, mas desde o subsônico até o ultrassônico”, disse Zettl. “Isso é praticamente sem precedentes.”
Devido a essa grande largura de banda, o transdutor à base de grafeno pode ser usado para sistemas de ecolocalização para comunicações submarinas, sistemas ultrassônicos para localizar sobreviventes em um ambiente repleto de entulhos e para imagens de alta qualidade de fetos humanos no útero, como exemplos.
E as mesmas propriedades que fazem o transdutor de grafeno funcionar bem em alto-falantes também podem produzir microfones de alta qualidade, observou Zettl. “Demonstramos as duas tecnologias em nosso laboratório. Ambas têm potencial para serem comercializadas”.
Ramchandani, da GraphAudio, disse que os fones de ouvido e microfones de amostra da GraphAudio que a empresa demonstrou na Consumer Electronics Show em janeiro resultaram em algumas discussões produtivas com possíveis parceiros e em algumas experiências que ele evocou uma resposta “uau”.
A empresa afirma que a qualidade do som de sua tecnologia é tão nítida que é possível escolher os tons de um instrumento individual de uma orquestra sinfônica.
Ramchandani observou que a tecnologia da televisão de tela plana praticamente substituiu as TVs de tubo de raios catódicos mais pesadas e pesadas, e espera o mesmo tipo de transformação nos produtos de áudio.
Entre os produtos que podem surgir da tecnologia licenciada do GraphAudio estão os alto-falantes de carro finos embutidos no teto interior do veículo para uma experiência aprimorada de som surround e sensores de carro aprimorados que dependem da ecolocalização bidirecional para evitar colisões de veículos.
Zettl disse que sua equipe continua seus esforços de pesquisa e desenvolvimento com materiais ultrafinos e nanoestruturas.
Os membros de sua equipe têm especialidades que variam de química e física a engenharia mecânica e ciência de materiais, e os pesquisadores são usuários freqüentes da Molecular Foundry do Berkeley Lab, uma instalação científica em nanoescala; e a Fonte de Luz Avançada, que produz feixes de luz que podem ser usados para estudar materiais em pequenas escalas.
“Eu não seria capaz de fazer nada desse trabalho sem os estudantes e pesquisadores de pós-doutorado e as instalações que estão aqui no Berkeley Lab”, disse Zettl.
Membros de sua equipe de pesquisa usam rotineiramente microscópios de resolução atômica na Fundição Molecular para explorar a estrutura de materiais ultrafinos, por exemplo. E os membros da equipe também usam raios-X produzidos pela Advanced Light Source para examinar outras propriedades dos materiais que podem torná-los adequados para aplicações específicas, observou ele.
Um novo impulso na pesquisa de sua equipe é explorar como criar novos tipos de transdutores mecânicos com materiais ultrafinos que são fabricados com propriedades elásticas ajustáveis – possibilitadas por orifícios ou fendas em nanoescala com padrões precisos.
Além de seu uso em novas configurações de transdutores, essas membranas perfuradas também podem ser úteis para aplicações que variam da filtragem da água ao seqüenciamento genético.
“Ser capaz de trabalhar em coisas que têm aplicativos reais e benefícios públicos – é bom ver essa progressão total”, disse Zettle. “Estou emocionado de poder ver esses aplicativos sair disso. Para mim, isso é pessoalmente recompensador.”
A empresa demonstrou a tecnologia no 2020 Consumer Electronics Show (CES) em janeiro.
Publicado em 14/03/2020 17h37
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