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Communiquer sous l'eau et à travers l'acier grâce au graphène

ActualitéClassé sous :technologie , graphène , ultrason

En utilisant une feuille de graphène en guise de diaphragme, une équipe de chercheurs de l'université de Berkeley a conçu des microphones et des haut-parleurs émettant et recevant des ultrasons, comme les chauves-souris et les dauphins. Le système pourrait contribuer à améliorer la qualité des communications sous-marines, mais aussi à communiquer à travers des objets en acier, ce que ne peuvent pas faire les ondes électromagnétiques.

Une équipe de chercheurs de l’université Berkeley a créé un équipement de communication bidirectionnel (microphone et haut-parleurs) dont les diaphragmes sont constitués d'une feuille de graphène. Grâce aux propriétés de ce matériau, ces appareils sont capables de couvrir des plages de fréquences subsoniques et ultrasoniques. © Barracuda1983, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons

Le graphène ne cesse de démontrer ses qualités dans nombre de domaines, comme tout récemment pour améliorer les performances des batteries lithium-ion, ouvrir de nouvelles perspectives à l'impression 3D ou encore doper les performances processeurs. Cependant, beaucoup de ces solutions sont encore difficilement envisageables en dehors des laboratoires en raison notamment de la difficulté d'adapter la production du graphène à une fabrication industrielle. Et c'est peut-être dans le domaine du son qu'une avancée prometteuse pourrait rapidement déboucher sur un produit commercialisable.

Une équipe de physiciens de l'université de Berkeley en Californie (États-Unis) a créé des équipements audio en remplaçant le traditionnel diaphragme en papier ou en plastique par une feuille de graphène. Des microphones et des haut-parleurs ainsi équipés ont restitué des communications bidirectionnelles dans une plage de fréquences sonores très large allant du subsonique (fréquences inférieures à 20 Hz) jusqu'à l'ultrasonique (fréquences supérieures à 20 kHz) dont se servent les chauves-souris et les dauphins.

« Les mammifères marins et les chauves-souris ont recours aux sons à hautes fréquences pour leurs communications et l'écholocation. Mais jusqu'à présent, les humains n'ont pas pu exploiter cela car la technologie n'était pas disponible », estime le professeur Alex Zettl qui a dirigé ces travaux. « Jusqu'à maintenant, nous n'avions pas de bons émetteurs-récepteurs ultrasoniques à large bande. Ces nouveaux appareils représentent une véritable opportunité technologique », ajoute-t-il. Cette innovation a fait l'objet d'un article scientifique publié par la revue Proceedings of the National Academy of Sciences. Ces diaphragmes en graphène dont l'épaisseur équivaut à celle d'un atome combinent la rigidité, la souplesse et la légèreté de ce matériau, ainsi qu'une faible inertie qui leur permet de couvrir une plage de fréquences aussi vaste.

Ce schéma représente le diaphragme en graphène, en noir au centre. À la fois rigide et souple, le graphène est capable de convertir 99 % de l’énergie électrique en ondes sonores. © UC Berkeley

Écouter le chant des chauves-souris

Pour éprouver la sensibilité de leur dispositif, les chercheurs ont choisi de capturer le pépiement des chauves-souris qui est émis à des fréquences inaudibles à l'oreille humaine. Une fois l'enregistrement ralenti pour être dans une gamme de fréquences audibles, ils ont alors pu entendre ce chant si particulier. Ces membranes en graphène sont également plus efficaces car elles peuvent convertir près de 99 % de l'énergie en son, là où les enceintes et haut-parleurs classiques n'en convertissent que 8 %.

Pour les chercheurs de Berkeley, les applications pratiques concernent notamment les communications sous-marines ainsi que les équipements à ultrasons qui pourraient grandement gagner en qualité. L'autre avantage est que ces systèmes audio à base de graphène peuvent aussi communiquer à travers des objets en acier, ce qui n'est pas le cas des ondes électromagnétiques. Dernier atout clé, la réponse en fréquence est plate sur la gamme des fréquences audibles, ce qui pourrait non seulement aider les scientifiques à mieux étudier les ultrasons mais aussi ravir les audiophiles.

« Il y a quelques années, un tel équipement aurait été impossible à fabriquer en raison de la difficulté de produire des feuilles de graphène autoportantes, souligne Alex Zettl. Mais au cours de la dernière décennie, la communauté scientifique spécialisée dans le graphène a développé des techniques pour cultiver, transporter et monter ce matériau de telle sorte que la fabrication de cet équipement est désormais très simple. »

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