В Техасском университете в Остине (США) созданы термоакустические динамики из… графена. Исследование, результаты которого представлены в журнале Advanced Materials, стало своего рода демонстрацией принципиальной возможности получения лёгких, прозрачных и, конечно, гибких звуковых колонок, не имеющих механических частей.

Подобные устройства могут найти применение не только в потребительской электронике, но и в медицинских ультразвуковых аппаратах, а также в подавляющих шум приборах.

Рис. 1. Вот так новый громкоговоритель и выглядит: термоакустический, на основе графена! Врезка в правом нижнем углу даёт представление о строении устройства. (Иллюстрация Wiley-VCH).

В отличие от традиционных акустических динамиков (громкоговорителей), основанных на использовании механических движущихся частей для компрессии (сжатия) воздуха и, следовательно, генерирования звуковых волн, принцип функционирования термоакустических устройств базируется на обратимой компрессии воздуха в результате быстрого нагрева и охлаждения рабочего материала с высокой теплопроводностью.

Несмотря на то что концепция термоакустических динамиков впервые предложена около ста лет назад, до сих пор не было ни одной практической реализации этой любопытной идеи. Виной всему отсутствие подходящих материалов, а отсюда и методов промышленного производства таких устройств.

Но вездесущий графен и тут поспешил на помощь: материал, обладающий высокой термической проводимостью и очень низкой теплоёмкостью, вполне может оказаться той палочкой-выручалочкой, что наконец-то позволит реализовать давнюю теоретическую модель.

Техасцы показали, что моно- и мультиатомные слои графена способны генерировать термоакустические волны на широком спектре субстратов, влияние которых на его термоакустические свойства также было подвергнуто детальному анализу. Напомним, что качество термоакустического динамика зависит также от того, как генерируемое материалом (графеном) тепло передаётся окружающему его воздуху, а не субстрату.

Применив химическое осаждение из газовой фазы (CVD), учёные вырастили на медной фольге моноатомный слой графена, который затем был перенесён на альтернативный прозрачный субстрат методом жидкостного трансфера. Кроме того, было исследовано влияние пористости субстратов на качество звукогенерации. Для проведения полевых испытаний своего термоакустического устройства учёные закрепили электрические провода на слое графена, заблаговременно перенесённого на желаемую подложку, с помощью серебряной пасты. Записывающий микрофон, помещённый напротив образца, в момент подачи напряжения на графен передавал генерируемые им (графеном) частотные колебания напрямую в звуковой анализатор.

В результате был создан миниатюрный термоакустический громкоговоритель размером с ноготь, способный генерировать звук в 50 дБ (уровень, характерный для вечно галдящего рабочего офиса).

Исследование показало способность графеновой звуковой системы работать на гибких полимерных субстратах, изменяя форму которых можно добиться интересных результатов с фокусировкой аудиосигнала, что особенно важно для создания медицинских ультразвуковых приборов с направленным распространением звуковой волны.