Nanorør fiberantenner lige så dygtige som kobber

Fibre lavet af kulstofnanorør konfigureret som trådløse antenner kan være lige så gode som kobberantenner, men 20 gange lettere, ifølge forskere fra Rice University. Antennerne kan tilbyde praktiske fordele til rumfartsapplikationer og bærbar elektronik, hvor vægt og fleksibilitet er faktorer.

Forskningen vises i Anvendt fysik bogstaver .

Opdagelsen tilbyder flere potentielle anvendelser for de stærke, lette nanorørfibre udviklet af Rice lab af kemiker og kemiingeniør Matteo Pasquali. Laboratoriet introducerede den første praktiske metode til fremstilling af kulstof nanorørfibre med høj ledningsevne i 2013 og har siden testet dem til brug som hjerneimplantater og i hjerteoperationer, blandt andre applikationer.

Forskningen kan hjælpe ingeniører, der søger at strømline materialer til fly og rumfartøjer, hvor vægt er lig med omkostninger. Øget interesse for wearables som håndledsbårne sundhedsmonitorer og tøj med indbygget elektronik kan drage fordel af stærke, fleksible og ledende fiberantenner, der sender og modtager signaler, sagde Pasquali.

Rice-teamet og kolleger ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udviklede en metrik, de kaldte "specifik strålingseffektivitet" for at bedømme, hvor godt nanorørfibre udstrålede signaler ved de almindelige trådløse kommunikationsfrekvenser på 1 og 2,4 gigahertz og sammenlignede deres resultater med standard kobberantenner. De lavede tråd bestående af fra otte til 128 fibre, der er omtrent lige så tynde som et menneskehår og skåret i samme længde for at teste på en brugerdefineret rig, der gjorde ligetil sammenligninger med kobber praktisk.

"Antenner har typisk en bestemt form, og du skal designe dem meget omhyggeligt, " sagde Rice kandidatstuderende Amram Bengio, avisens hovedforfatter. "Når de først er i den form, du vil have dem til at forblive sådan. Så en af ​​de første eksperimentelle udfordringer var at få vores fleksible materiale til at blive siddende."

I modsætning til tidligere resultater fra andre laboratorier (som brugte forskellige kulstofnanorørsfiberkilder), Rice-forskerne fandt, at fiberantennerne matchede kobber for strålingseffektivitet ved de samme frekvenser og diametre. Deres resultater understøtter teorier, der forudsagde ydeevnen af ​​nanorør-antenner ville skalere med tætheden og ledningsevnen af ​​fiberen.

"Vi fandt ikke kun ud af, at vi fik samme ydeevne som kobber for samme diameter og tværsnitsareal, men når vi tog vægten i betragtning, vi fandt ud af, at vi stort set gør dette for 1/20 af vægten af ​​kobbertråd, " sagde Bengio.

"Ansøgninger om dette materiale er et stort salgsargument, men fra et videnskabeligt perspektiv, ved disse frekvenser opfører kulstof nanorør makromaterialer sig som en typisk leder, " sagde han. Selv fibre, der betragtes som "moderat ledende", viste overlegen ydeevne, Han sagde. Selvom producenterne ganske enkelt kunne bruge tyndere kobbertråde i stedet for de 30-gauge ledninger, de bruger i øjeblikket, disse ledninger ville være meget skrøbelige og svære at håndtere, sagde Pasquali.

"Amram viste, at hvis du gør tre ting rigtigt - laver de rigtige fibre, fabriker antennen korrekt og design antennen efter telekommunikationsprotokoller - så får du antenner, der fungerer fint, " sagde han. "Når du går til meget tynde antenner ved høje frekvenser, du får mindre af en ulempe sammenlignet med kobber, fordi kobber bliver svært at håndtere ved tynde målere, hvorimod nanorør, med deres tekstillignende adfærd, hold godt ud."