07.08.2018

Nanopflaster als Lautsprecher

Hauchdünne thermoakustische Nanomembranen für flexible Schallquellen und Mikrofone.

Laut­sprecher und Mikrofone sind bereits so stark geschrumpft, dass sie mühelos in Smartphones integriert werden können. Noch kleinere und dazu noch flexible Akustik­folien, die sowohl als Lautsprecher als auch als Mikrofon taugen, entwickelten nun koreanische Wissen­schaftler. Durch­sichtig und flexibel haften sie fest auf der Haut und schmiegten sich sogar den filigranen Furchen auf einer Finger­kuppe an. Möglich wurde dieser Schritt mit Nano­membranen und einem Netzwerk aus Silber­nanodrähten. Solche Akustik­module könnten in der Robotik oder in intelligenter Kleidung genutzt werden.

Abb.: Anwendungsbeispiel extrem dünner, flexibler und durchsichtiger Nanomembranen als Lautsprecher- oder Mikrofon-Folie. (Bild: Hyunhyub Ko et al.)

An der Ulsan National Institute of Science and Tech­nology fertigten Hyunhyub Ko und seine Kollegen die hauch­dünnen Lautsprecher und Mikrofone in mehreren Arbeits­schritten. Zuerst ordneten sie ein Netzwerk aus 35 Nanometer dünnen und bis zu 20 Mikrometer langen Nanodrähten aus Silber auf einer Zinkoxid-Schicht an. Über dieses Netzwerk verteilten sie über ein chemisches Aufdampf­verfahren eine durchsichtige und flexible Parylen-Kunststoff­masse. Nach der Polymeri­sierung entstand eine weniger etwa 100 Nanometer dünne Nano­membran, die sich danach ohne Probleme von der Zinkoxid-Schicht ablösen ließ.

Diese Nano­membran war gegenüber Chemikalien stabil, biokom­patibel und ließ sich mehrfach verbiegen ohne Schaden zu nehmen. An diese schlossen die Forscher nun zwei Kupfer­elektroden an. In einem ersten Versuch testeten sie das thermo­akustische Potential mit einer 10 Volt-Wechsel­spannung mit einer Frequenz von zehn Kilohertz. Dadurch wurde die Nano­membran mit der gleichen Frequenz erwärmt und kühlte zwischen den Spannungs­pulsen wieder ab. Durch das Aufheizen wurde auch die direkt umgebende Luft erwärmt und in Schwingung versetzt, eine Schallwelle entstand, die als gleich­mäßiger Ton hörbar war.

Video: Das akustische Pflaster aus einer Nanomembran haftet auf der Haut und gibt ein Violinkonzert von Niccolò Paganini wieder. (Video: Sci. Adv. / AAAS / Kang et al.)

In einem weiteren Experiment variierten die Forscher die Spannungs­pulse entsprechend der Tonfolge eines Violin­konzerts von Niccolò Paganini. Über den gleichen thermo­akustischen Effekt war die Musik über einen Frequenz­bereich zwischen einem und zwanzig Kilohertz zwar leise, aber dennoch gut zu hören. Bei Spannungs­pulsen mit bis zu 3,5 Watt Leistung ermittelten die Forscher einen Schalldruck von knapp über einem Pascal. Über einen breiten Frequenz­bereich von 100 Hertz bis 25 Kilohertz rangierte der relative Schallpegel um etwa 90 db.

Zusätzlich zum Lautsprecher konzi­pierten Ko und Kollegen auch eine hauch­dünne Mikrofon­folie, ebenfalls aufbauend auf der flexible und durch­sichtigen Nano­membran mit Nanodraht-Netzwerk. Dazu ergänzten sie die Membran mit einer mit winzigen Pyramiden struk­turierten Fläche aus Silikom­gummi (Polydimethyl­siloxan, PDMS). Trafen nun Schall­wellen auf die Nanomembran, rieb sie sich entsprechend der Schall­frequenzen auf dem mikro­strukurierten Silikongummi. Dabei bildeten sich über einen tribo­elektrischen Effekt elektrische Spannungen zwischen 20 und 200 Millivolt, abhängig vom Schallpegel zwischen 65 und 100 db. Messungen belegten, dass der Verlauf dieser Spannungs­pulse weitest­gehend dem Frequenz­verlauf der Schallwellen zwischen 100 und 10.000 Hertz entsprach.

Mit ihren Prototypen zeigten Ko und Kollegen, dass sowohl Lautsprecher als auch Mikrofone aus hauch­dünnen, flexiblen Nano­membranen gefertigt werden können. Anwendungen sehen sie beispiels­weise für elektro­nische Kleidung mit inte­grierter Audio-Technik, in der Medizin­technik oder für die Optimierung einer Kommuni­kation zwischen Mensch und Maschine. „Bis zu einer kommer­ziellen Anwendung müssen aber noch einige Hürden über­wunden werden“, sagt Ko. Denn sowohl Ton- als auch Aufnahme­qualität der Lautsprecher- und Mikrofon­folien sind bisher gering. Auch die Stabilität der Nano­membranen wollen die Forscher noch weiter erhöhen.

Jan Oliver Löfken

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