Nejmenší rádio na světě se vejde do dlaně… mravence

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 24. listopad 2007

Napsal Tereza Knířová

Vibrující uhlíková nanotrubička, kterou výzkumníci umístili mezi dvě elektrody, úspěšně předvedla čtyři funkce potřebné pro fungování rádia (anténa, laditelný přijímač, zesilovač a demodulátor). Tomuto nanorádiu se podařilo naladit na radiový signál generovaný v laboratorní místnosti a přehrát ho prostřednictvím připojeného reproduktoru.


První píseň přehranou nanorádiem a další multimediální materiály

Tento malý vynález, který je sto miliardkrát menší než první komerčně využívané rádio, je funkční ve všech vlnových délkách používaných pro současné komerční vysílání. Díky své extrémní energetické účinnosti může být velice snadno integrován do všech  mikroelektronických obvodů. Nalezne tak využití v mnoha inovacích od rádiem kontrolovaných zařízení, která mohou plout krevním oběhem v lidském těle až po vysoce výkonné součástky pro mobilní telefony.


Nanotrubička, hlavní součást nanorádia, se skládá ze svinutých plátků propletených atomů uhlíku. Uhlík se formuje do trubiček tak silných, že je někteří vědci navrhovali použít k vytvoření provazů k fixaci satelitů na jednom místě nad Zemí. Nanotrubičky také vykazují neobvyklé elektronové vlastnosti díky své miniaturní velikosti. Nantrubička použitá jako radiový přijímač má pouhých deset nanometrů v průměru a je několik set nanometrů dlouhá.

„Tento průkopnický objev je skvělým příkladem toho, jak unikátní chování materiálu v nanosvětě umožňuje odstartovat překvapivé nové technologie,“ říká Bruce Kramer, vedoucí Centra pro integrované nanomechanické systémy, pod jehož záštitou výzkum probíhá. „Klíčové funkce rádia, zařízení, které ohlásilo elektronický věk, jsou nyní tak zmenšené, že využívají mechanických vibrací pouze z jedné jediné uhlíkové nanotrubičky.“


Nový vynález pracuje podobným způsobem jako vakuové trubky z třicátých let minulého století, které se používaly před tím, než se v moderních rádiích objevily tranzistory. V tomto novém rádiu je jedno vlákno uhlíku o délce několika stovek nanometrů a pouze několik molekul široké přilepeno k záporně nabité podložce z wolframu, která slouží jako katoda. Přibližně o jednu miliontinu metru od podložky je umístěn kladně nabitý kousek mědi, který funguje jako anoda.

Energie ve formě proudu elektronů přichází z připojené baterie přes katodu, do nanotrubičky a přes vakuovou mezeru do anody pomocí procesu tunelového jevu. „Proces tunelového jevu může být přirovnán k běžci, který skáče přes příkop: přeskočit přes něj může pouze v případě, že má dostatečnou rychlost, to jest dostatek energie tuto rychlost získat,“ vysvětluje Zettl. „Takže elektrony přeskakují fyzickou mezeru z trubičky na anodu, pokud jim dodáme dostatek energie z baterie.“

Průchod proudu elektronů nanotrubičkou se změní v okamžiku, kdy radiová vlna projde napříč trubičkou a rozkmitá ji. Tato mechanická akce je právě to, co zesílí, demoduluje nebo dekóduje radiový signál. Pokud se vrátíme k Zettlově analogii s běžcem, vibrující konec nanotrubičky je velice blízký příkopu, kterému se neustále mění šířka. Úplně stejně jako běžcovi šance na úspěšný přeskok závisí na tom, jak je mezera široká, stejně tak šance elektronů na překonání mezery mezi špičkou nanotrubičky a anodou závisí na jejich vzájemné vzdálenosti.

„Toto propojení mechanického vlnění nanotrubičky a počtu elektronů, které úspěšně překonají mezeru, je klíč k funkčnímu rádiu,“ říka Zettl. „To, co se objeví na anodě je informační signál, který může být přenesen na přídavný zesilovač, a reproduktor následně přehraje zakódovanou hudbu nebo jiná data.“


Nanorádio, ale nepřehrává jen jednu stanici. Prodlužováním a zkracováním nanotrubičky jsou výzkumníci schopní kontrolovat frekvenci radiového signálu, který zařízení může přijímat. Modifikace délky nanotrubičky je možná prostřednictvím velice krátkého vystavení větším hodnotám elektrického proudu.

Vědci věří, že bude velice snadné vyrábět nanorádia, která budou přijímat signály v rozsahu 40-400 megahertz, což je rozmezí, ve kterém vysílá většina FM rádií.

Výzkumníci zjemňují ladění nanorádia tím, že využívají elektrostatické pole mezi katodou a anodou, aby napnuli nebo povolili nanotrubičku. Tento proces přirovnávají k natahování nebo povolování kytarové struny. Podle Zettla se citlivost nanotrubičkového rádia může zvětšit přidáním externí antény nebo použitím sady nanotrubiček, aby si rádio zachovalo svou extrémně malou velikost.

Koncept miniaturního přijímače pro zachycování radiového vysílání hudby je velice působivý, ale tím není potenciál této technologie ani zdaleka vyčerpán.

Jak dodává Bruce Kramer: „Aplikace plně funkčního miniaturního radiového přijímače může potencionálně umožnit radiovou kontrolu téměř nad vším od přijímače v živé buňce po obrovskou matici vestavěnou do křídla letadla.“

Jedním z prvních cílů výzkumníků je nyní vyvinout miniaturní senzory, které budou moci komunikovat bezdrátově. „Klíčovou otázkou je, jak propojit jednotlivé komponenty o molekulární velikosti do jednoho systému a to vše v nanoměřítku. Nanorádio tohoto dosahuje tím, že má jednomolekulární strukturu nanotrubičky a současně vykazuje všechny požadované vlastnosti,“ dodává Zettl.

Zdroje:
Nsf.gov
Socrates.edu