नैनोट्यूब का ध्वनिक भविष्य: थर्मोकैस्टिक्स का नया जीवन

यह ज्ञात है कि पारंपरिक इलेक्ट्रोडायनामिक लाउडस्पीकर के साथ-साथ फायदे के एक मेजबान के साथ मूर्त नुकसान होते हैं, उदाहरण के लिए, निष्ठा की एक निश्चित सीमा। उच्च ध्वनि गुणवत्ता संकेतक प्राप्त करने के लिए, पारंपरिक वक्ताओं के संचालन के इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिद्धांत को बहुत सी चाल की आवश्यकता होती है, गंभीरता से डेवलपर्स की क्षमताओं को सीमित करता है, महत्वपूर्ण लागतों की ओर जाता है और, परिणामस्वरूप, उनकी लागत को बढ़ाता है। इसके अलावा, स्पीकर झिल्ली के लिए उपयोग की जाने वाली पारंपरिक सामग्री, जैसा कि आप जानते हैं, विरूपण के न्यूनतम संभव स्तर पर "छत" है, बड़े पैमाने पर पर्याप्त हैं, और स्थायी मैग्नेट अतिरिक्त विरूपण का परिचय देते हैं।



पिछले पोस्टों में, हम पहले से ही वक्ताओं के लिए कई प्रसिद्ध विकल्पों का वर्णन कर चुके हैं, जैसे इलेक्ट्रोस्टैटिक, आइसो / ऑर्थोडायनामिक उत्सर्जक और आयनोफोन। इस सामग्री में हम शायद सबसे अधिक उच्च तकनीक और सामान्य डायनेमिक ड्राइवरों के मूल प्रतिस्थापन के बारे में बात करेंगे जिनसे हम परिचित हैं - नैनोट्यूब के आधार पर बनाए गए उत्सर्जक।

नैनोट्यूब के बारे में थोड़ा

कार्बन नैनोट्यूब ग्रेफीन के खोखले बेलनाकार संरचनाओं के रूप में कार्बन का एक एलोट्रोपिक संशोधन है और दसियों से कई नैनोमीटर तक व्यास के साथ है। सीधे शब्दों में कहें, यह एक विशाल अणु है जिसमें नियमित हेक्सागोनल आकार के संरचनात्मक तत्वों के शीर्ष पर स्थित लाखों कार्बन परमाणु शामिल हैं।



सामग्री के रूप में, कार्बन नैनोट्यूब में घनत्व अनुपात के लिए एक अत्यधिक उच्च शक्ति है। ट्यूब की शक्ति गुणांक 1 से 100 GPa (स्टील की शक्ति गुणांक 500-3000 MPa) है, जबकि सामग्री का घनत्व पानी के घनत्व की तुलना में थोड़ा अधिक है - 1.35 ग्राम / घन। देखें। फिलहाल, नैनोट्यूब से फाइबर ज्ञात सबसे पतला है, इस फाइबर की मोटाई मानव बाल की औसत मोटाई से 30,000 गुना कम है। नैनोट्यूब की एक अन्य महत्वपूर्ण (विशेष रूप से ध्वनिक उपयोग के लिए) बारी-बारी से विद्युत प्रवाह और कम गर्मी क्षमता के प्रभाव में उनका तेजी से हीटिंग है।


उनके गुणों के कारण, नैनोट्यूब ने बड़ी संख्या में क्षेत्रों में व्यावहारिक अनुप्रयोग पाया है। मैं केवल एक छोटा सा हिस्सा दूंगा: भारी शुल्क वाले धागे, नैनोवायर, गैस का पता लगाने वाले सेंसर, सामान्य रूप से दवा और विशेष रूप से, ऊर्जा जनरेटर और इंजन, कृत्रिम मांसपेशियों, वर्तमान स्रोत, और कई अन्य। आदि नैनोट्यूब से संबंधित सबसे महत्वाकांक्षी परियोजनाओं में से एक एक अंतरिक्ष लिफ्ट के लिए एक केबल है। हालांकि, कई प्रकाशनों में, फाइबर का निर्माण करते समय ताकत के महत्वपूर्ण नुकसान को देखते हुए, उनके उपयोग पर सवाल उठाया जाता है।

अंतरिक्ष लिफ्ट के विपरीत, उच्च निष्ठा के ध्वनिक उत्सर्जक बनाने के लिए नैनोट्यूब का उपयोग करने की प्रभावशीलता के बारे में कोई संदेह नहीं है। ऐसे वक्ताओं के प्रोटोटाइप पहले ही प्रायोगिक उद्देश्यों के लिए बनाए गए हैं। लेकिन दक्षता एक बात है, और धारावाहिक उत्पादन एक और है।

नैनोट्यूब के ध्वनिक गुणों का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण क्षण वर्ष 1991 था, जब उनसे पारदर्शी कार्बन फिल्मों के कई प्रकार (एकल-परत और बहु-परत) बनाए गए थे।

थर्माकोटिक एक नैनोट्यूब झिल्ली के साथ उत्सर्जित करता है

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि कार्बन नैनोट्यूब के ध्वनिक गुणों को संयोग से खोजा गया था। अपेक्षाकृत नई सामग्री के साथ कई प्रयोगों से यह निष्कर्ष निकला है कि नैनोट्यूब की चादरें प्रत्यावर्ती धारा के प्रभाव में ध्वनि तरंगों का उत्सर्जन करने में सक्षम हैं।

2008 में, कैली जियांग के नेतृत्व में चीनी शोधकर्ताओं ने इस तथ्य पर ध्यान आकर्षित किया कि नैनोट्यूब की एक शीट बारी-बारी से चालू होने के प्रभाव में एक ध्वनि बनाती है। उसके बाद, उन्होंने एक संशोधित संगीत संकेत लागू किया और महसूस किया कि शीट ध्वनि को पुन: पेश करने में सक्षम थी। एक लेजर वाइब्रोमेटर (पॉलीटेक पीएसवी 300-एफ) को शीट पर भेजकर, वैज्ञानिकों को आश्चर्य हुआ कि रेडिएटर के रूप में इस्तेमाल की जाने वाली फिल्म नहीं चली। बाद में, यह पता लगाना संभव था कि शीट के तेजी से हीटिंग के परिणामस्वरूप ध्वनि दिखाई दी, अर्थात्। थर्मोकैस्टिक प्रक्रिया।

दिलचस्प बात यह है कि 19 वीं शताब्दी के अंत से ही थर्मोकैस्टिक प्रभाव की घटना का पता चला है। इसका पहला विस्तृत विवरण अमेरिकी वैज्ञानिकों एचडी अर्नोल्ड और आईबी क्रैंडल ने 1 जुलाई, 1917 को प्रकाशित लेख "द थर्मोपोन इन ए प्रिसिजन सोर्स ऑफ साउंड" के रूप में बनाया था। उस समय, ऐसी कोई सामग्री नहीं थी, जिसके साथ किसी भी तरह से व्यवहार में थर्मोकैस्टिक सिद्धांत का उपयोग करना संभव होगा।

काइली जियांग की टीम के शोध परिणाम नैनो लेटर्स के लचीले, स्ट्रेचेबल, ट्रांसपेरेंट कार्बन नैनोट्यूब थिन फिल्म लाउडस्पीकर में प्रकाशित हुए। लेख में, वैज्ञानिकों ने उन उपकरणों का वर्णन किया जो थर्मोकोस्टिक प्रभाव का उपयोग करके माइक्रोफ़ोन से संगीत संकेत और ध्वनि को सफलतापूर्वक पुन: उत्पन्न करते हैं।

अधिकतम चादर तापमान जब एक संकेत 12 डब्ल्यू (8 ओम) की नाममात्र शक्ति के साथ आपूर्ति की गई थी 80 डिग्री सेल्सियस था। काइली जियांग के अनुसार, कम तापमान के साथ समान स्पीकर बनाना संभव है, लेकिन यह प्रयोग के हिस्से के रूप में लागू नहीं किया गया था। इसी समय, उत्सर्जकों में कई विशिष्ट विशेषताएं थीं।

फोटो 2 एक CNT पतली फिल्म लाउडस्पीकर के ध्वनिक प्रदर्शन का परीक्षण। (ए) एक प्रयोगात्मक सेटअप के योजनाबद्ध चित्रण। (बी) ध्वनि दबाव स्तर (डीबी में) और लाउडस्पीकर और माइक्रोफोन के बीच 5 सेमी की दूरी पर एकल-परत (लाल) और चार-परत (नीला) सीएनटी लाउडस्पीकर के कुल हार्मोनिक विरूपण। इनपुट पावर क्रमशः सिंगल और फोर लेयर स्पीकर के लिए 3 डब्ल्यू और 12 डब्ल्यू है। © ध्वनि दबाव चार-परत CNT लाउडस्पीकर द्वारा उत्पन्न होता है, जो इनपुट शक्ति पर निर्भर करता है, एक रैखिक संबंध दिखाता है। काले वर्ग प्रयोगात्मक परिणामों का प्रतिनिधित्व करते हैं, और एक लाल रेखा एक उपयुक्त परिणाम का प्रतिनिधित्व करती है। (d) CNT चार-परत पतली फिल्म स्पीकर और माइक्रोफोन से ध्वनि दबाव आउटपुट के इनपुट वोल्टेज के वास्तविक समय के संकेत, जो इंगित करता है कि ध्वनि दबाव आवृत्ति इनपुट वोल्टेज की आवृत्ति को दोगुना कर देती है। (C) नैनो लेटर्स

वर्णित प्रयोगों के दौरान, यह दर्ज किया गया कि एमिटर आपको आधुनिक पोर्टेबल और स्थिर ध्वनिक उपकरणों में उपयोग के लिए एक आवृत्ति रेंज और ध्वनि दबाव स्तर (एसपीएल) के साथ ध्वनि उत्पन्न करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, प्रोटोटाइप में हार्मोनिक विरूपण (टीएचडी) का एक प्रभावशाली निम्न स्तर था।

थर्मोकैस्टिक पतली-फिल्म लाउडस्पीकर के लिए सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक डेटा। (ए) थर्मोकोस्टिक पतली फिल्म लाउडस्पीकर के ऑपरेटर की तुलना में एसपीएल के सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिणाम। प्रयोगात्मक डेटा को क्रमशः एकल-परत और चार-परत पतली सीएनटी फिल्मों के लिए लाल ठोस वर्गों और त्रिकोण द्वारा दर्शाया जाता है। हरे रंग की रेखाएँ और काली रेखाएँ एसपीएल की गणना अर्नोल्ड और क्रेंडल सिद्धांत (1) और हमारे सिद्धांतों (2 समीकरण) के अनुसार एकल-परत (ऊपरी) और चार-परत (मध्यम) सीएनटी वक्ताओं और 700 एनएम पं। थर्मोफोन (निम्न) की मोटाई के लिए की जाती हैं। इनपुट पावर 4.5 वाट है। (बी) एचसीपीयूएसी एस पर एसपीएल (1 k की इनपुट शक्ति के साथ १० kHz पर) की निर्भरता की गणना क्रमशः अर्नोल्ड और क्रैंडल (इक्विव १, रेड लाइन) और हमारे सिद्धांत (२, ब्लैक लाइन) के सिद्धांत के अनुसार की जाती है। (C) नैनो लेटर्स

लेख में उल्लेख किया गया है कि झिल्ली के रूप में उपयोग की जाने वाली शीट पारदर्शी और लचीली होती है। काइली जियांग ने उल्लेख किया कि यह ध्वनि की गुणवत्ता को महत्वपूर्ण नुकसान के बिना विकृत किया जा सकता है। यह भी पाया गया कि एक बेलनाकार फ्रेम पर रखी गई नैनोट्यूब की एक फिल्म ध्वनि को सभी दिशाओं में समान तीव्रता के साथ उत्सर्जित करने की अनुमति देती है। एक दिलचस्प विशेषता जो अर्नोल्ड और क्रेंडेल के कुछ निष्कर्षों का खंडन करती है, वह यह थी कि जब फिल्म को बढ़ाया गया था (प्रारंभिक क्षेत्र का 200%), संकेत व्यावहारिक रूप से नहीं बदला था।



कुछ समय के लिए मीडिया द्वारा चीनी शोधकर्ताओं के प्रकाशन का हवाला दिया गया था। मीडिया ने भी पारंपरिक स्पीकर सिस्टम की आसन्न मौत की भविष्यवाणी की थी, लेकिन जल्द ही नवाचार को सुरक्षित रूप से भुला दिया गया। सीरियल ड्राइवरों को बनाने के लिए कोई ज्ञात प्रयास नहीं थे।

थर्मोफोन पेश करने में समस्याएं

ध्वनिक उत्सर्जक और थर्मोकैकोस्टिक प्रभावों की झिल्लियों की सामग्री के रूप में नैनोट्यूब के स्पष्ट लाभों के बावजूद, यह दृष्टिकोण कमियों के बिना नहीं है। मुख्य समस्या खुद नैनोट्यूब की लागत है।

चीनी निर्मित एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब के लिए वर्तमान थोक मूल्य $ 30 से $ 90 प्रति ग्राम है। इस सामग्री से ध्वनिक उत्पादों के संभावित निर्माताओं के दावों के अनुसार, मौजूदा कीमतें उनके उपयोग के साथ बजट उत्पादों को जारी करने के लिए अर्थहीन बनाती हैं।

बाजार का अपेक्षाकृत उच्च अंत, जहां मूल्य उत्पादों के "प्रतिष्ठित मूल्य" द्वारा उचित ठहराया जा सकता है, अभी भी अधिक कठिन है। पहले से ही विद्युतीय और ऑर्थोडायनामिक रेडिएटर हैं जो ध्वनिक गुणों के संदर्भ में नैनोट्यूब फाइबर के करीब और समान हैं। इसी समय, तकनीकी प्रक्रियाएं और उपकरण जो इस तरह के ध्वनिकी का उत्पादन करने की अनुमति देते हैं, उनका परीक्षण किया गया है और अच्छी तरह से गणना की गई आर्थिक दक्षता है। नैनोट्यूब की शुरुआत के लिए, किसी भी व्यावसायिक गारंटी के बिना उपकरण, विकास, योजना में भारी निवेश करना आवश्यक है।

इस प्रकार के उत्सर्जकों के उपयोग से जुड़ी तकनीकी बारीकियां भी हैं। सबसे पहले, एमिटर की सतह के तापमान को कम करने पर अभी भी कोई प्रकाशित अध्ययन नहीं हैं, हालांकि काइली जियांग ने इस संभावना का उल्लेख किया है। दूसरी ओर, अगर हम आयनोंफोन्स में प्लाज्मा तापमान के साथ फिल्म तापमान की तुलना करते हैं (जो पहले से ही बड़े पैमाने पर उत्पादित हो रहे हैं), तो नैनोट्यूब के साथ ड्राइवरों के अनुभवी प्रोटोटाइप भी अधिक सुरक्षित दिखते हैं।

कोज़लोव संकर

2014 में डलास में टेक्सास विश्वविद्यालय के रूसी मूल के मिखाइल कोज़लोव के एक अमेरिकी शोधकर्ता ने मूल संकर उत्सर्जक के प्रोटोटाइप के निर्माण पर एक रिपोर्ट प्रकाशित की। एक झिल्ली के रूप में नैनोट्यूब की एक फिल्म का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक लाउडस्पीकर विकसित किया जो थर्मोकोकस प्रभाव और एक गतिशील चालक के पारंपरिक सिद्धांत का उपयोग करता था। शोधकर्ता के अनुसार, यह दृष्टिकोण ऊपर वर्णित कुछ समस्याओं को हल करेगा।

एक थर्मोमेग्नेटिक साउंड ट्रांसड्यूसर के लिए कार्बन नैनोट्यूब की बहुपरत शीट की छवि। (छवि: मिखाइल कोज़लोव, टेक्सास विश्वविद्यालय डलास में)।

वैज्ञानिक के अनुसार, वह थर्मोकैकोस्टिक और गतिशील ड्राइवरों के लाभों को संयोजित करने में कामयाब रहे। कोज़लोव द्वारा प्रस्तावित विचार एक स्थायी चुंबक के बगल में प्रवाहकीय छड़ों के बीच कार्बन नैनोट्यूब की एक शीट रखना है। विद्युत उत्तेजना के साथ, सामग्री की थर्मल प्रतिक्रिया को लोरेंट्ज़ बल के विद्युत चुम्बकीय क्रिया के कारण शीट कंपन के साथ जोड़ा जाता है। नतीजतन, डिजाइन ध्वनि तरंगों के हाइब्रिड थर्मोमैग्नेटिक विकिरण को प्राप्त करने की अनुमति देता है, अपेक्षाकृत कम स्तर की विरूपण और प्रभावशाली आयाम विशेषताओं के साथ जो ऊपर वर्णित चीनी थर्मोफोन्स से अधिक है।

परिणाम

मुझे पूरी उम्मीद है कि थर्मोफोन बड़े पैमाने पर बाजार में दिखाई देंगे और बड़े पैमाने पर उत्पादित होंगे। जियांग और कोज़लोव के शोध से, यह स्पष्ट हो जाता है कि प्रौद्योगिकी का एक आशाजनक भविष्य है, अगर इसे ध्यान में रखा जाए। ऊपर वर्णित कार्यान्वयन समस्याएं निर्विवाद रूप से गंभीर और जटिल हैं। इस बीच, एमिटर काइली जियांग के कामकाजी प्रोटोटाइप की उपस्थिति के बारे में पहले प्रकाशन के बाद से 10 साल बीत चुके हैं, और इस समय के दौरान वे शायद हल हो सकते हैं।

मेरा मानना ​​है कि अन्य, कम उद्देश्य और कम स्पष्ट कारण हैं कि यह तकनीक शुरू करने की जल्दी में क्यों नहीं है। इन कारणों में कुछ बाजार सहभागियों की अनिच्छा (क्लासिक वक्ताओं का उत्पादन करने की पर्याप्त क्षमता होना) अपने क्षेत्र में जमीन खोना शामिल है। दुर्भाग्य से, लोकप्रिय धारणा के विपरीत, नवाचार हमेशा व्यापार के लिए उपयोगी नहीं होता है, खासकर अगर बहुत सारा पैसा पुरातन प्रौद्योगिकी में निवेश किया जाता है।

जीन्स

हमारी सूची प्रस्तुत की गई है उच्च निष्ठा स्पीकर सिस्टम की एक विस्तृत श्रृंखला ।

उपयोग की गई फोटो सामग्री:

www.nanowerk.com
pubs.acs.org
aip.scitation.org