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Un team di ricercatori della Columbia Engineering, guidati dai professori James Hone e Kenneth Shepard, ha creato il trasmettitore radio FM più piccolo al mondo. Per farlo si sono avvantaggiati delle proprietà speciali del grafene, la resistenza meccanica e la conduzione elettrica, sviluppando un sistema nanomeccanico che può creare segnali FM.
"Questo lavoro è rilevante perché dimostra un'applicazione del grafene che non può essere raggiunta usando materiali convenzionali", ha affermato Hone. "È un importante primo passo in avanti per il processo dei segnali wireless e la progettazione di telefoni ultrasottili ed efficienti. I nostri dispositivi sono molto più piccoli di qualsiasi altra fonte di segnali radio e possono essere inseriti nello stesso chip usato per la gestione dei dati".
La combinazione di resistenza e conducibilità elettrica rendono il grafene il materiale ideale per sistemi nanoelettromeccanisci (NEMS), versioni in scala dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) usati ampiamente per la rilevazione di vibrazione e accelerazione. Nello studio il team di ricercatori ha sfruttato l'elasticità meccanica del grafene per sintonizzare l'uscita in frequenza di un oscillatore creato ad hoc, dando vita a una versione nanomeccanica di un componente elettronico noto come oscillatore controllato in tensione (VCO). Con un VCO, spiega Hone, è facile generare un segnale FM usato per le trasmissioni radio.
"In grafene we trust"
Il team ha costruito un NEMS in grafene con una frequenza di circa 100 megahertz - giusto nel mezzo della banda radio FM (da 87.7 a 108 MHz). Hanno usato un segnale musicale a bassa frequenza per modulare il segnale portante a 100 MHz e poi hanno recuperato i segnali musicali usando un normale ricevitore radio FM. "Questo dispositivo è di gran lunga il sistema più piccolo che può creare questi segnali FM", ha dichiarato Hone.
I NEMS al grafene non saranno usati per rimpiazzare i tradizionali trasmettitori radio, ma hanno diverse applicazioni potenziali. Secondo il professor Shepard "a causa della continua miniaturizzazione dei circuiti elettronici i cellulari hanno più potenza di calcolo rispetto a sistemi che una volta occupavano intere stanze. Alcuni tipi di dispositivi tuttavia, particolarmente quelli coinvolti nella creazione e nel processo dei segnali in radio frequenza, sono molto più difficili da miniaturizzare. Questi componenti richiedono spazio ed energia. Inoltre, la maggior parte dei componenti non può essere facilmente regolata in frequenza, richiedendo copie multiple per coprire la gamma di frequenze usata nella comunicazione wireless".
I NEMS al grafene possono risolvere entrambi i problemi: sono molto compatti e s'integrano facilmente con altri tipi di elettronica, inoltre la loro frequenza può essere regolata su un range ampio grazie alla resistenza meccanica del grafene. "C'è una lunga strada da percorrere per arrivare ad applicazioni reali in questo settore", ha osservati Hone, "ma questo lavoro è un primo passo importante. Siamo entusiasti di aver dimostrato con successo come questo materiale delle meraviglie si possa usare per ottenere un avanzamento tecnologico concreto - qualcosa di particolarmente gratificante per noi ingegneri".
Hone e Shepard, insieme al gruppo di ricercatori, sta ora lavorando nel migliorare le prestazioni degli oscillatori al grafene in modo da ridurre la rumorosità. Allo stesso tempo si cerca anche di dimostrare come sia possibile integrare i NEMS al grafene con circuiti al silicio, rendendo il progetto dell'oscillatore persino più compatto.