作者小格伦·罗伯茨
劳伦斯·伯克利国家实验室 声波插图
信用:玛丽·特蕾莎·麦克林/皮克斯贝 距离美国的几名研究人员
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他们用胶带从一块石墨中分离出被称为石墨烯的单原子碳层，这一获得诺贝尔奖的发现推动了R&D超薄材料的革命
石墨烯和其他原子级薄的“二维”材料表现出奇异的特性，研究人员希望将其用于一系列应用——从封装在更强大、更紧凑的计算机处理器中的更小的晶体管，到更小、更精确的传感器、灵活的数字显示器和新一波量子计算机
美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们已经在多个方面帮助推进了对超薄材料的研究，寻求专门的工具和技术来制造它们，并在纳米尺度和原子尺度上研究它们的结构和性质
现在，一家总部位于加州的名为GraphAudio的公司
graphaudio
正在将伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员开发的基于石墨烯的音频技术商业化，以刺激音频革命
GraphAudio首席执行官Ramesh Ramchandani表示，该公司的目标是利用获得许可的技术来制造石墨烯组件，其他公司将这些组件整合到自己的产品中
他说，他预计GraphAudio的技术——可能在一两年内提供给消费者——将是耳塞耳机和放大器中的石墨烯组件，这些组件被集成到老牌音频产品制造商制造的产品中
这项技术于2016年获得伯克利实验室的许可，涉及石墨烯在一种被称为换能器的发声元件中的应用，可以改造多种设备，包括扬声器、耳塞和耳机、麦克风、自主车辆传感器以及超声波和回声定位系统
“我们研究石墨烯基材料和结构已经有很多年了，这种传感器就是其中的一个应用，”亚历克斯·泽特尔说，他是伯克利实验室的资深科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授，他是GraphAudio授权技术的共同发明人
另一个发明者是周琴，他是前伯克利实验室的博士后研究员，现在是内布拉斯加-林肯大学的助理教授
通过他们团队的研究开发的传感器使用一种叫做薄膜的几层厚的小石墨烯薄膜，将电信号转换成声音
“它有点像一个鼓面，有一个圆形的框架，薄膜在上面伸展，”泽特尔说
石墨烯薄膜的直径约为一厘米
薄膜和支撑框架夹在由交流电压驱动的硅基电极之间
电场使石墨烯薄膜振动，并以有效、可控的方式产生声音
这种被称为静电传感器的设计比传统设计需要更少的部件和更少的能量，传统设计需要电线圈和磁铁
“当我们用电子音频信号驱动它时，它就像一个扬声器，”泽特尔说
在一些流行的入耳式耳机中，只有大约10%的电能被转换成声音，而其余的作为热量损失掉了
他说，尽管石墨烯换能器将大约99%的能量转化为声音
此外，石墨烯换能器几乎没有失真，在非常宽的声音频率范围内具有极其“平坦”的响应——甚至远远超过人耳能够听到的范围
这意味着声音在很宽的高低频范围内具有相同的质量——“不仅仅是在音频波段，而是从亚音速一直到超声波，”泽特尔说
“这是前所未有的
" 由于这种大带宽，石墨烯基换能器可以用于潜艇通信的回声定位系统，用于在瓦砾遍布的环境中定位幸存者的超声波系统，以及子宫中人类胎儿的高质量成像
泽特尔指出，石墨烯换能器在扬声器中工作良好的相同特性也可以制造高质量的麦克风
“我们在实验室演示了这两种技术
两者都有商业化的潜力
" GraphAudio的Ramchandani说，该公司在1月份的消费电子展上展示的GraphAudio的耳机和麦克风样本引发了与潜在合作伙伴的一些富有成效的讨论，他说，一些消费者体验引发了“哇”的反应
该公司声称其技术的音质非常清晰，可以从交响乐团中挑选出一种乐器的音调
拉姆昌达尼指出，平板电视技术几乎已经取代了体积更大、重量更重的阴极射线管电视，他预计音频产品也会发生同样的转变
GraphAudio的许可技术可能产生的产品包括嵌入车辆内部天花板的薄型汽车扬声器，以改善环绕声体验，以及依靠双向回声定位来避免车辆碰撞的改进的汽车传感器
泽特尔说，他的团队继续在超薄材料和纳米结构方面的R&D努力
他的团队成员拥有从化学和物理到机械工程和材料科学的专业知识，研究人员是伯克利实验室分子铸造厂(一个纳米科学设施)的经常用户；和高级光源，它产生的光束可以用来研究微小尺度的物质
“如果没有学生和博士后研究人员以及伯克利实验室的设施，我就不能做这些工作，”泽特尔说
例如，他的研究团队成员经常在分子铸造厂使用原子分辨率显微镜来探索超薄材料的结构
他指出，团队成员还使用先进光源产生的x光来检查材料的其他特性，这些特性可能使它们非常适合特定的应用
他的团队研究的一个新方向是探索如何用超薄材料制造新型机械传感器，这种材料具有无法测量的弹性——通过精确构图的纳米级孔或槽来实现
除了在新的传感器配置中使用之外，这种穿孔膜还可用于从水过滤到基因测序的应用
泽特尔说:“能够从事具有实际应用和公共利益的工作——很高兴看到这一全面进展。”
“我很高兴能够看到这些应用程序的问世
对我个人来说，这是值得的
" 该公司在1月份的2020年消费电子展上展示了这项技术
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