Maailma väikseim FM raadiosaatja

Ameerika SEAS ülikooli professorite juhitud töörühm valmistas grafeenist nanomehaanilise ostsillaatori, mis võib edastada sagedusmoduleeritud raadiosignaale – teisisõnu leiutati maailma väikseim FM raadiosaatja. Tööd kajastav artikkel avaldati teadusajakirja Nature Nanotechnology 17. novembri veebiväljaandes.

„Nii väikest raadiosaatjat saab praegu valmistada vaid grafeenist,“ ütles James Hone, üks artikli autoreist. „See on esimene oluline samm juhtmevaba andmetöötluse ning üliõhukeste mobiiltelefonide poole, sest väikese raadiosaatja saab koos ülejäänud infotöötluslülitustega samasse kiipi ehitada.“

Grafeen on ühe aatomkihi paksune kristalse süsiniku allotroop, mille vahest äratuntavaim kuvand on heksagonaalse korrastatusega aatomvõre. Materjaliteadlastele pakuvad grafeeni välimusest enam huvi materjali füüsikalised omadused ning nende sihtotstarbeline kasutamine. Grafeen on tugevamaid teadaolevaid materjale. Selle Youngi moodul (iseloomustab materjali molekulide ja  aatomite vaheliste sidemete jõudu^[1]) on 1 TPa (10¹² Pa). Näiteks terase ja hambaemaili Youngi moodulid on vastavalt 0,2 TPa ning 0,083 TPa. Lisaks on grafeen väga hea soojus- ja elektrijuht. Veelgi enam, pingutamata grafeenlehe võib ühes sihis deformatsioonivabalt venitada kuni 20 %. Sestap sobib grafeen hästi nanoelektromehaaniliste süsteemide (nanoelectromechanical systems, NEMS) valmistamiseks.

Mikro- ja nanoelektromehaanika on valdkond, mis tegeleb, nagu nimigi ütleb, hästi väikeste elektromehaaniliste masinate valmistamisega. Neid kasutatakse näiteks mobiiltelefonide vibratsiooni- ja kiirendusandurites, millega tuvastatakse telefoni kaldenurk.

SEAS töörühma valmistatud nanoelektromehaanilise raadiosaatja põhiosis on vastavalt soovitud sagedusele pingutatud paar mikromeetrit pikk grafeeni riba. Kile pingutatakse selle alla asetatud elektroodiga, millele on rakendatud elektripinge. Mida suurem pinge, seda tugevam elektriväli, seda suurem riba elektroodi poole tõmbav jõud ning seda lühem võnkumise periood. Üldiselt nimetatakse sellist masinat pingega reguleeritud ostsillaatoriks.

Katsetes, muuhulgas edastati raadioeetrisse nutitelefonilt muusikat, kasutati edastussagedust 100 MHz (10⁶ Hz), mis on üle maailma raadiosaadetele määratud sagedusvahemiku, 87,7 – 108 MHz, keskosas. Palad moduleeriti madalsageduslike signaalidega. Vastuvõtjana kasutati tavalist raadiot.

„Nii väiksest masinast pole veel FM raadiolaineid välja tulnud,“ ilmestas Hone.

Grafeenist nanoelektromehaanilised masinad ilmselt tavaraadioid asendama ei hakka, sest need pole piisavalt võimsad. Ent arvutikiibi sees pole vahemaad kuigi pikad ning saatja võimsusvajadus on selle võrra väiksem.

„Elektroonikaseadmed lähevad üha kiiremaks ning väiksemaks. Moore’i seadus peab hämmastava täpsusega paika. Kunagi mahtusid paremad arvutid napilt tuppa. Nüüd on sama ning etemgi arvutusvõimsus nutitelefonides, otse peopesal. Raadiosaatjaid on aga keeruline väiksemaks teha, sest nende analoogkomponendid võtavad palju ruumi ning tarbivad palju elektrienergiat. Lisaks ei saa enamikke neist komponentidest kuigi laias sagedusvahemikus häälestada. Kogu vajaliku spektri katmiseks on tarvis mitut eri saatjat,“ seletas töö teine autor Kenneth Shepard.

Grafeenist nanoelektromehaaniline ostsillaator on aga kompaktne ning hõlpsasti olemasolevate kiipidega integreeritav. Lisaks on ostsillaatoril avar kiirgusspekter, eeskätt grafeeni tugevuse tõttu.

„Homme veel meie saatjat poest osta ei saa, ka ülehomme mitte. Paljud tööd seisab ees,“ täpsustas Hone. “Praegu oleme teinud olulise esmasammu. Grafeeni rakenduslik kasutamine ei ole olnud teadusmaailmas kerge protsess. Sestap on iga selline saavutus erilise tähendusega. Iseäranis huvitav võiks meie töö olla inseneridele.“

Hone ja Shepard töötavad nüüd ostsillaatorist müra eemaldamisega.

Allikad: Phys.org, Wired, Engineering.columbia.edu

Viited:

1 – Kautlenbach, Sven (2011). Autonoomne seade elastsusmooduli mõõtmiseks, bakalaureusetöö, lk 3, külastatud 09.12.13, link.