Исследователи СО РАН создали графеновые устройства, которые при нагревании преобразуют тепло в звук — без механических компонентов, с высокой частотой и возможностью экологического применения.
Специалисты из Института теплофизики имени Кутателадзе (Сибирское отделение РАН, Новосибирск) создали уникальные графеновые устройства, которые способны преобразовывать тепло в звук без подвижных механических частей. Статья по этому поводу опубликована в журнале Applied Acoustics.
В основе данной технологии лежат термоакустические свойства одного из самых тонких материалов — одноатомной или графеновой пленки. При нагреве и охлаждении поверхность графена формирует тепловые волны, которые изменяют плотность воздуха и порождают акустические колебания.
Такой метод позволяет обойтись без мембран, которые используются в классических динамиках. Графен быстро отдает накопленную энергию благодаря минимальной массе атомов углерода и, как следствие, крайне низкой теплоемкости. Это обеспечивает ряд преимуществ: высокую скорость реакции, компактность и надежность конструкции, а также возможность работы на очень высоких частотах — до мегагерцовых.
Создание материалов осуществляется методом химического осаждения из газовой фазы (CVD): в реакторе из метана выделяется углерод, на медной фольге вырастают тонкие слои графена. Затем пленки переносятся на кремниевые подложки, после чего подключаются электропроводящие слои, сначала титановый для улучшения адгезии, затем медные контактные площадки.
В результате получаются графеновые чипы с высокой чистотой (до 97 %), которые могут быть интегрированы в различные системы. Одно из перспективных направлений использования — умные окна или экраны, которые могут воспроизводить звук без громоздких динамиков: например, окно в кабине самолета или автомобиля может озвучивать сообщения, оставаясь при этом совершенно прозрачным.
Еще одно направление применения — нагревательные элементы. Графеновые покрытия могут выполнять функции нагревателей, работая весьма эффективно благодаря минимальным тепловым потерям.
Ученые уже планируют шаги к промышленному производству этих изделий. Они ищут инвесторов и партнеров в автомобилестроении и авиационной отрасли для создания демонстрационных образцов. Это откроет новые возможности для материалов нового поколения, объединяющих акустические, прозрачные и термоэлектрические свойства. Разработка была поддержана грантом Министерства образования и науки России в рамках «Десятилетия науки и технологий».
Вот какие характеристики имеет данная 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 — значительно выше, чем у большинства традиционных динамиков.
- Прозрачность материала (до 97 %) позволяет создавать «говорящие» стекла и экраны, которые выглядят почти как обычные, но способны воспроизводить звук.