Ученые из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН разрабатывают различные устройства, использующие графен. Термоакустические характеристики этого материала позволяют применять такие приборы в качестве генераторов звука, систем подавления шума и нагревательных элементов. О результатах этой работы сообщается в научной статье опубликована в международном журнале Applied Acoustics .
«В рамках наших исследований мы рассматриваем широкий спектр углеродных наноматериалов, включая графен. Для его получения применяются разнообразные подходы: растворные методы, подобные технологии Хаммерса, плазмохимические процессы и химическое осаждение из газовой фазы. С использованием метода химического осаждения мы синтезируем тонкие однослойные или многослойные графеновые пленки из метана на медной фольге. Эти пленки могут найти применение в создании различных устройств, таких как сенсоры, датчики расхода жидкостей и термоакустические преобразователи. Последние функционируют по принципу, отличному от работы обычных динамиков: звук генерируется не движением мембраны, а изменением температуры поверхности графена. Чередующиеся процессы нагрева и охлаждения формируют тепловые волны, которые изменяют плотность воздуха и, как следствие, вызывают акустические колебания», — отметил руководитель лаборатории синтеза новых материалов ИТ СО РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Владимирович Смовж.
Термоакустические преобразователи применяются уже продолжительное время, однако современные разработки направлены на увеличение их эффективности. Ключевая цель – обеспечить оперативное изменение температуры поверхности, то есть быстрый нагрев и эффективную передачу тепла в окружающую среду. В настоящее время применение тонких металлических пленок сменилось использованием инновационных материалов, в частности графена. Благодаря своей структуре, тонкий слой графена, состоящий из одного атома, аккумулирует незначительное количество тепла и быстро рассеивает его в воздухе. Небольшая масса атома углерода обуславливает низкую теплоемкость графена, что позволяет направить основную часть энергии на генерацию звуковой волны. Для достижения аналогичного эффекта традиционные металлические покрытия требуют толщины в десятки нанометров, в то время как графен состоит всего из одного слоя атомов. Это свойство позволяет сократить теплопотери и улучшить характеристики устройства.
Использование нагрева графена для генерации звука отличается от других методов отсутствием механических элементов, что делает конструкцию проще и повышает её надёжность. Несмотря на то, что традиционные динамики обладают большей производительностью, разработанный новосибирскими исследователями подход имеет значительное достоинство: возможность воспроизведения очень высоких частот, достигающих мегагерцового диапазона.
Изначально исследования были сосредоточены на графеновых нагревателях. На первом этапе ученые анализировали процессы теплообмена графеновых пленок с окружающей средой. После разработки стабильных графеновых нагревателей приступили к изучению их термоакустических характеристик: воспроизводили классические музыкальные произведения и наблюдали за звукоизвлечением графена, стремясь повысить эффективность этого явления.
«В нашей лаборатории основным оборудованием являются CVD-печи. Это герметичные вакуумные реакторы, обеспечивающие точный контроль температуры и состава газов. Ключевыми факторами процесса являются надлежащая подготовка поверхности с использованием определенной газовой среды и подача соответствующей газовой смеси для формирования графена. После воздействия заданных условий получается высококачественная графеновая пленка, которую извлекают из реактора и направляют на дальнейшую обработку. Затем осуществляется перенос графеновой пленки с медной подложки посредством жидкости или с использованием полимерных материалов, как пояснил Дмитрий Смовж.
Далее в процессе изготовления функциональных элементов происходит нанесение электродов. Для этой цели применяется установка, использующая метод магнетронного напыления. Она оборудована тремя магнетронами и системой очистки подложек с помощью ионного пучка, что обеспечивает получение чистых металлических покрытий и гетероструктур. На графеновый чип в первую очередь наносится слой титана для повышения адгезии, после чего – медные контактные площадки. Такой порядок действий исключает ухудшение состояния контактов, которое часто наблюдается у аналогичных композитных материалов. По окончании процесса напыления формируются готовые устройства, готовые к использованию в измерительных системах.
Высокая степень прозрачности (до 97%) делает графен пригодным для нанесения на окна и экраны, открывая возможность создания «умных» покрытий, способных поглощать посторонние звуки и воспроизводить звук. Так, окно или телевизор смогут издавать звук без видимых динамиков. Даже кабину самолета можно покрыть графеном, чтобы превратить ее в источник информативных сообщений для пилотов, практически невидимый. Помимо этого, графен эффективен для защиты автомобильных и авиационных стекол от обледенения. В отличие от обычных покрытий на основе индий-оловянного оксида (ITO), графеновые пленки не создают бликов и сохраняют свои характеристики даже при значительных изгибах и деформациях.
«В ближайших планах, касающихся термоакустических технологий, мы планируем привлечь инвесторов для реализации разработок. Мы готовы изготовить демонстрационные образцы для потенциальных заказчиков, представляющих автомобильную и авиационную отрасли, которые заинтересованы в уменьшении уровня шума или защите от обледенения. Научное обоснование было подтверждено, теперь мы ожидаем конкретных технических требований и партнеров, готовых к переходу к промышленному производству, — подчеркнул Дмитрий Смовж.
Поддержка при подготовке данного материала была оказана грантом Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Материалы и фотографии предоставлены Управлением по популяризации и пропаганде научных достижений СО РАН