Zastosowanie grafenu w bezbłędnych przyspieszeniomierzach tunelowych

Przyspieszeniomierze są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań: od systemów nawigacyjnych w samolotach po układy wykrywania ruchu w samochodach i przenośnych urządzeniach elektronicznych. Najbardziej wymagające zastosowania potrzebują przyspieszeniomierzy o wysokiej rozdzielczości, które są zarówno bardzo duże, jak i bardzo drogie do wytworzenia.

W przypadku takich zastosowań, do których zaliczają się pomiary mikrograwitacji, pomiary akustyczne i pomiary sejsmologiczne, używanie przyspieszeniomierzy tunelowych może się wydawać oczywiste. Urządzenia te, stanowiące ogromny krok naprzód w stosunku do ich konwencjonalnych odpowiedników, mogą być wytwarzane po znacznie niższych kosztach przy zachowaniu niezrównanej precyzji. Ich komercjalizacja jest jednak nadal utrudniona przez złożony proces produkcji i niestabilność w perspektywie długoterminowej.

Zespół projektu GRATA (Graphene Tunneling Accelerometer) opracowuje pierwszy — i już opatentowany — model przyspieszeniomierza tunelowego wykorzystującego grafen. Jego zalety techniczne, w tym mniejszy rozmiar, większa szerokość pasma, prostsza konstrukcja i naturalna stabilność, już zostały dostrzeżone w branży. Projekt może między innymi umożliwić produkcję wysokiej klasy czujników opartych na grafenie.

Prof. dr Pertti Hakonen, który kieruje projektem, omawia koncepcję przyspieszeniomierza tunelowego, proces jego opracowywania oraz perspektywy w zakresie komercjalizacji.

Jakie wady przyspieszeniomierzy tunelowych chcieliście wyeliminować w ramach tego projektu?

Głównym problemem, jaki próbowaliśmy przezwyciężyć, jest brak długoterminowej stabilności krzemowych czujników tunelowych pokrytych metalem. Zwiększymy również czułość i szerokość pasma.

Dlaczego grafen może być odpowiednim rozwiązaniem do osiągnięcia tego celu?

Grafen jest znany ze swoich doskonałych właściwości mechanicznych (jest to lekki, mocny i wytrzymały kryształ węglowy) oraz dobrej przewodności elektrycznej (bez potrzeby powlekania metalem). Mamy doświadczenie w zajmowaniu się szczegółami, takimi jak napięcie w grafenowych strukturach MEMS. Charakter tego materiału, w połączeniu z naszą wiedzą specjalistyczną, sprawia, że grafenowy przyspieszeniomierz jest potencjalnym rozwiązaniem.

Z jakimi wyzwaniami zmagał się zespół projektu podczas tworzenia nowych przyspieszeniomierzy grafenowych?

Wytwarzalność (i powtarzalność) jest głównym wyzwaniem przy przechodzeniu ze skali laboratoryjnej na skalę produkcyjną.

Jakie są dotychczasowe najważniejsze osiągnięcia projektu?

Udowodniliśmy, że niewielka szczelina nie ulegnie załamaniu, nawet w powietrzu, co ma kluczowe znaczenie dla niezawodności. Złożyliśmy już podstawowy patent, a kolejne powiązane wnioski są właśnie opracowywane.

Co jeszcze pozostało do zrobienia przed końcem projektu?

Musimy zbudować więcej prototypów, które są odpowiednio upakowane, i zebrać więcej danych w laboratorium.

W jakiego rodzaju systemach do wykrywania można zastosować wyniki projektu?

Jednym z przykładów jest monitorowanie drgań maszyn — najbardziej rozpowszechniona metoda określania stanu technicznego urządzeń obrotowych. Jest to bardzo istotne pod względem bezpieczeństwa i inteligentnej konserwacji w nowoczesnych zakładach przemysłowych, zwłaszcza w erze Internetu przedmiotów.

Jak wygląda sytuacja pod względem potencjalnej komercjalizacji?

Trudno powiedzieć. Komercjalizacja trwa znacznie dłużej i wymaga innych środków niż zasoby, które mieliśmy do dyspozycji na potrzeby pracy badawczej w środowisku laboratoryjnym. Złożyliśmy jednak główny patent i zbieramy dodatkowe dane w terenie — jesteśmy zatem na dobrej drodze do osiągnięcia celu komercjalizacji.