Листы углеродных нанотрубок могут работать как громкоговорители, сообщают химики из пекинского университета Цинхуа (Tsinghua University).
Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes — CNTs) тщательно исследуют последние двадцать лет. Какое только применение им ни прогнозировали и придумывали: в качестве нитей для космических лифтов, устройств хранения водородного топлива, чипов компьютерной памяти и охлаждающих интерфейсов для них же и так далее. Однако до сих пор никто не догадывался протестировать акустические свойства наноструктур.
Команда китайских учёных под руководством Шоушаня Фаня (Shoushan Fan) и их коллеги из университета Пекина (Beijing Normal University) создали тонкий лист из выровненных в одном направлении нанотрубок диаметром порядка 10 нанометров.
Громкоговоритель размером с лист формата A4 (фото Jiang Kaili et al.).
Когда они попробовали подать на него ток (с частотой аудиосигнала), оказалось, что лист может издавать звуки, будто совершенно плоский динамик. Чтобы представить, что данное открытие значит для всей музыкальной промышленности, надо понять, как устроены стандартные громкоговорители.
Обыкновенный громкоговоритель состоит из трёх основных элементов: диффузора, подвижной катушки из проволоки и постоянного магнита. При подаче электрического сигнала на выводы катушки на её полюсах возникает магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате катушка вместе с диффузором начинает перемещаться относительно последнего. Эти сдвиги вызывают колебания воздуха и, как следствие, появляется звук.
Поначалу команда Фаня решила, что лист тоже движется, но показания лазерного виброметра свидетельствовали – никакого движения нет. Тогда учёные решили, что дело в термоакустическом эффекте.
Изображение плёнки из
углеродных нанотрубок, полученное с помощью сканирующего электронного
микроскопа (фото Jiang Kaili et al.).
Дальнейшие анализы показали, что ток, проходящий по листу, изменяет его температуру в пределах 20-80 градусов по Цельсию. Эти весьма быстрые колебания температуры изменяют давление воздуха вблизи листа, что в свою очередь приводит к появлению звука.
Вообще-то данное явление было обнаружено более века назад Уильямом Генри Присом (William Henry Preece) и Карлом Фердинандом Брауном (Karl Ferdinand Braun). Эти учёные выяснили, что даже тонкую металлическую фольгу можно заставить издавать звук, просто передав через неё переменный ток (так появилось устройство под названием "термофон"). Однако ему не суждено было снискать славу телефона, так как полученный звук был слишком тихим.
В то же время лист из углеродных нанотрубок звучит весьма громко.
Это обусловлено необычными свойствами нанотрубок, считает Фань. "Ключевым параметром, определяющим силу звука, является удельная теплоёмкость материала", — говорит он.
Удельная теплоёмкость вещества — это количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один кельвин.
К примеру, у листа из углеродных нанотрубок она в 260 раз меньше, чем у платиновой фольги. Это означает, что первый воспроизводит звуковые волны в 260 раз эффективнее, то есть звучит значительно громче.
Громкоговоритель из листа углеродных нанотрубок не теряет в качестве воспроизведения музыки, даже когда растягивается в два раза от начальной длины.
Динамики на нанотрубках имеют массу преимуществ перед стандартными "колонками", отмечают исследователи. Они будут работать даже при частичном повреждении листа (так как они не колеблются).
Их можно растягивать и сгибать под любую форму и размер, пишут учёные в своей статье в журнале Nano Letters. Кроме того, в растянутом состоянии лист прозрачен, а это означает, что его можно хоть на жидкокристаллический монитор натянуть, а он всё равно будет звучать, замещая тем самым классические динамики.
Но фантазия химиков ушла ещё дальше: потренировавшись на флагах, они уже грезят о "говорящих и поющих куртках". Интересно, как учёные думают справиться с нагревом до 80 °C? А как быть со стоимостью изделий? Ведь пока что получение углеродных нанотрубок обходится не так уж и дёшево.
Другая группа учёных, которой руководит Ховард Шмидт (Howard Schmidt) из университета Райса в Хьюстоне (Rice University), теперь кусает локти. "Это так просто! И почему мы не додумались об этом раньше?" — сетует Шмидт. Теперь эти физики хотят исследовать, насколько хорошо подобные громкоговорители будут работать в жидкости. Устройства на основе нанотрубок могли бы стать подводными сонарами.
Листы углеродных нанотрубок могут работать как громкоговорители, сообщают химики из пекинского университета Цинхуа (Tsinghua University).
