開眼：熱力石墨烯晶元，用熱量產生聲音的音箱

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朋友，你家還有傳統的音箱設備嗎？你知道嗎？這樣四四方方的音箱會隨著時間的流逝，逐漸退出歷史的舞台了，取而代之的是用熱力石墨烯晶元製成的揚聲器。雖然此款揚聲器中的石墨烯晶元尺寸還沒超過拇指指甲蓋，但由它製成的微型的電子設備卻能集揚聲器(Speaker)、擴音器(Amplifier)和均衡器(Equalizer)為一體，成為更具市場競爭力的產品。

傳統音箱的工作原理是依靠機械振動。由於音箱上膜片裝置的物理振動，會使周圍空氣的變形，進而形成聲波來達到傳遞聲音的目的。但是要想讓音箱上的膜片振動強到足以擠壓或拉伸周圍的空氣產生聲波，需要提供大量的能量。而且如果驅動膜片的能量太大，又會導致該薄膜的破損。

目前，英國埃克塞特大學裡以M. S Heath和D. W. Horsell為首的研究團隊發現，只要使用上石墨烯這種極其輕薄又非常結實的材料，那麼音箱則可不再通過機械振動來進行發聲。這個科研團隊研發出一種微小的晶元，並在晶元上覆蓋上一層單層石墨烯薄膜，製備成石墨烯晶元。這種石墨烯晶元可以利用熱聲學(Thermoacoustics)原理而非機械振動原理來產生聲波，即將熱能轉化成聲能。

石墨烯具有優良的導電性能，在使用過程當中，在發出特定的電脈衝作用下，石墨烯層將會被快速加熱和冷，由其熱量的變化來引起周圍環境中空氣的膨脹和壓縮，再由這些空氣的變形來產生聲波。科學家們還發現，當合理控制經過石墨烯晶元的交流電流時，石墨烯的加熱冷卻循環過程可以讓揚聲器在同一時間混合、放大和均衡多種聲音的頻率。所以這款電子設備能創造出一個豐富的「聲音調色板」(Sonic palette)，具有良好的音質。如此一來，未來大多數家庭里現有的立體音箱、均衡器、揚聲器終將有一天會被這個獨立便攜又功能強大的帶有熱力石墨烯晶元的設備替代。

該課題的主要負責人 David Horsell表示，熱聲學的作用一直都被認為是沒有實際意義的，這遠遠低估了熱聲學存在的意義。David Horsell還表示，通過控制流經石墨烯的電流，不僅能使熱量的變化產生聲音，還能調節音量。除此之外，還能單獨控制某一指定頻率分量的放大。將熱力學和石墨烯搭配在一起，讓我們看到了熱力學更多的應用領域。例如，它可以用在醫療成像的超聲波設備上，使得一個尺寸更小的超聲波設備顯示出具有更高解析度的圖像。雖然現在它還是一項新研發出來的成果，但我們期待利用到熱聲學原理的石墨烯晶元在未來能有更廣闊的發展前景。

備註：埃克塞特大學M. S Heath和D. W. Horsell的此研究成果已發表在雜誌Scientific Reports上了，題目為Multi-frequency Sound Production and Mixing in Graphene.

參考文獻：

1. M. S. Heath & D. W. Horsell 2017, 『Multi-frequency Sound Production and Mixing in Graphene』,Scientific Reports, vol. 7, pp. 1-9.

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