Raziskovalci Laboratorija za lasersko tehniko (LASTEH) na Univerzi v Ljubljani so v sodelovanju z Institutom »Jožef Stefan«, Univerzo v Coimbri in inštitutom CNR-NANOTEC (Italija) razvili napravo na osnovi grafena, ki kratke laserske impulze pretvarja v visokofrekvenčni ultrazvok. Zmanjšanje števila atomskih plasti grafena z deset na pet razširi frekvenčni spekter fotoakustičnega vala, kar omogoča nadzor akustičnih pojavov na nanometrski ravni ter podpira natančnejše slikanje in bolj usmerjeno terapevtsko uporabo ultrazvoka. Raziskava je potekala v okviru slovenskega nacionalnega projekta 2D-UltraS in evropskega projekta Laserlab-Europe.
Fotoakustična (PA) tehnologija pretvarja kratke laserske impulze v ultrazvok. Raziskava, objavljena v reviji Photoacoustics, kaže, da grafen, izdelan s kemijskim naparevanjem iz plinske faze (CVD), v kombinaciji s pikosekundnim laserskim vzbujanjem presega omejitve klasičnega fotoakustičnega generiranja ter omogoča širokopasovni visokofrekvenčni ultrazvok.
Raziskovalci so večplastni CVD-grafen proučili teoretično in eksperimentalno. Plast za plastjo so ga prenesli na stekleno podlago ter prevlekli s plastjo polidimetilsiloksana (PDMS). Da bi bolje razumeli nastanek fotoakustičnega vala na nanometrski ravni, so razvili mezoskopski model na osnovi kontinuumskega pristopa, ki povezuje toplotne, mehanske in akustične pojave.
Pri vzbujanju s pikosekundnimi impulzi sta izpolnjena pogoja toplotnega in napetostnega omejevanja, zato nastane krajši in intenzivnejši valovni čelni del. Naprava z desetimi plastmi CVD-grafena je ustvarila ultrazvok s pasovno širino 110 MHz (pri −6 dB), ki se razširi do 250 MHz (pri −20 dB), kar presega zmogljivosti nanosekundnega vzbujanja. Pri svetlobni poti dolžine 3,4 nm so raziskovalci izmerili tlak 1 MPa.
Shematski prikaz termoelastičnega nastanka akustičnega vala
Fourierjeva analiza fotoakustičnega signala (zgornji prikaz) in primerjava z dosedanjimi najboljšimi PDMS-kompozitnimi strukturami (spodnji prikaz).
»Grafen, izdelan s CVD-postopkom na ravni celotne rezine, zagotavlja nadzorovan in enakomeren toplotni stik za pretvorbo svetlobe v zvok. Ob vzbujanju s pikosekundnimi laserskimi impulzi takšna zasnova omogoča višje frekvence ultrazvoka in učinkovitejše ustvarjanje akustičnih valov. S prilagajanjem števila plasti grafena se spreminja Kapitzova upornost, kar vpliva na prenos toplote in temperaturno dinamiko na stiku materialov ter posledično oblikuje profil fotoakustičnega vala. Tako smo pri ravni −6 dB dosegli razširitev frekvenčnega spektra do 140 MHz,« poudarjajo avtorji.
Ker lahko CVD-grafen izdelamo na ravni celotne rezine in ga prilagodimo različnim oblikam, je tehnologija primerna za ultravisokoločljivo slikanje, natančne terapevtske posege, nevromodulacijo ter napredne optoakustične aplikacije.