Ученые из Института теплофизики имени Кутателадзе (Сибирское отделение РАН, Новосибирск) разработали уникальные графеновые устройства, способные преобразовывать тепло в звук без подвижных механических элементов. Статья об этом опубликована в журнале Applied Acoustics.
В основе технологии лежат термоакустические свойства одного из самых тонких материалов — одноатомной или графеновой пленки. При нагреве и остывании поверхность графена формирует тепловые волны, которые меняют плотность воздуха и вызывают акустические колебания.
Такой подход позволяет обойтись без мембран, характерных для традиционных динамиков. Графен быстро отдает накопленную энергию, поскольку обладает за счет минимальной массы атомов углерода крайне низкой теплоемкостью. Это дает ряд преимуществ: высокую скорость отклика, компактность и надежность конструкции, а также способность работать на очень высоких частотах — вплоть до мегагерцовых.
Материалы создаются методом химического осаждения из газовой фазы (CVD): из метана в реакторе выделяют углерод и выращивают тонкие слои графена на медной фольге. Далее пленки переносят на кремниевые подложки, после чего подсоединяют электропроводящие слои, сначала титановый слой для улучшения адгезии, затем медные контактные площадки.
Итог — графеновые чипы с высокой чистотой (до 97 %), которые можно интегрировать в различные системы. Один из перспективных сценариев применения — умные окна или экраны, способные сами воспроизводить звук, без громоздких динамиков: например, окно в кабине самолета или автомобиля может озвучивать сообщения, оставаясь совершенно прозрачным.
Еще одно применение — нагревательные элементы. Графеновые покрытия могут играть роль нагревателей, при этом работать очень эффективно благодаря минимальным потерям тепла.
Ученые уже планируют шаги к промышленному производству изделий. Они ищут инвесторов и партнеров в автомобильной и авиационной отраслях для создания демонстрационных образцов. Это откроет дорогу материалам нового поколения, сочетающим в себе акустику, прозрачность и термоэлектрические свойства. Разработка была поддержана грантом Минобрнауки России в рамках «Десятилетия науки и технологий».
Вот какими особенностями обладает разработка:
- Графеновая пленка состоит всего из одного слоя атомов, что обеспечивает крайне низкую теплоемкость и сверхбыстрый теплообмен.
- Устройство без движущихся частей может генерировать звук в мегагерцовом диапазоне — гораздо выше, чем большинство традиционных динамиков.
- Прозрачность материала (до 97 %) делает возможным создание «говорящих» стекол и экранов, которые выглядят почти как обычные, но могут воспроизводить звук.
Недавно якутские ученые предложили повысить и контролировать прочность бетонных конструкций с помощью оксида графена.
