Spray-on antenner kunne frigøre potentialet for smart, forbundet teknologi

Løftet om wearables, funktionelle stoffer, tingenes internet, og deres "næste-generations" teknologiske kohorte virker fristende inden for rækkevidde. Men forskere på området vil fortælle dig, at en hovedårsag til deres forsinkede "ankomst" er problemet med problemfri integration af forbindelsesteknologi - nemlig, antenner - med formskiftende og fleksible "ting".

Men et gennembrud af forskere fra Drexel's College of Engineering, kunne nu gøre installationen af ​​en antenne lige så let som at påføre noget insektspray.

I forskning for nylig offentliggjort i Videnskabens fremskridt , gruppen rapporterer om en metode til at sprøjte usynligt tynde antenner, lavet af en type todimensionelle, metallisk materiale kaldet MXene, der fungerer lige så godt som dem, der bruges i mobile enheder, trådløse routere og bærbare transducere.

"Dette er et meget spændende fund, fordi der er et stort potentiale for denne type teknologi, " sagde Kapil Dandekar, Ph.D., en professor i elektro- og computerteknik på College of Engineering, der leder Drexel Wireless Systems Lab, og var medforfatter til forskningen. "Evnen til at sprøjte en antenne på et fleksibelt substrat eller gøre det optisk gennemsigtigt betyder, at vi kan have en masse nye steder at oprette netværk - der er nye applikationer og nye måder at indsamle data på, som vi ikke engang kan forestille os på øjeblik."

Forskerne, fra Højskolens Institut for Materialevidenskab og Teknik, rapporter, at MXene titanium carbid kan opløses i vand for at skabe en blæk eller maling. Materialets enestående ledningsevne gør det i stand til at transmittere og dirigere radiobølger, selv når det påføres i en meget tynd belægning.

"Vi fandt ud af, at selv gennemsigtige antenner med tykkelser på snesevis af nanometer var i stand til at kommunikere effektivt, " sagde Asia Sarycheva, en ph.d.-kandidat i A.J. Drexel Nanomaterials Institute og Materials Science and Engineering Department. "Ved at øge tykkelsen op til 8 mikron, ydeevnen af ​​MXene antenne opnåede 98 procent af dens forudsagte maksimale værdi."

At bevare transmissionskvaliteten i en så tynd form er vigtig, fordi det ville gøre det muligt for antenner nemt at blive indlejret – bogstaveligt talt, sprøjtes på - i en lang række genstande og overflader uden at tilføje yderligere vægt eller kredsløb eller kræve et vist stivhedsniveau.

"Denne teknologi kan muliggøre den virkelig sømløse integration af antenner med hverdagsobjekter, hvilket vil være afgørende for det nye Internet of Things, "Dandekar sagde. "Forskere har gjort meget arbejde med utraditionelle materialer i forsøget på at finde ud af, hvor produktionsteknologi opfylder systembehov, men denne teknologi kan gøre det meget nemmere at besvare nogle af de svære spørgsmål, vi har arbejdet på i årevis."

Indledende test af de sprøjtede antenner tyder på, at de kan fungere med samme kvalitet som nuværende antenner, som er lavet af velkendte metaller, som guld, sølv, kobber og aluminium, men er meget tykkere end MXene-antenner. At gøre antenner mindre og lettere har længe været et mål for materialeforskere og elektroingeniører, så denne opdagelse er et stort skridt fremad både med hensyn til at reducere deres fodaftryk og udvide deres anvendelse.

"Nuværende fremstillingsmetoder af metaller kan ikke gøre antenner tynde nok og anvendelige til enhver overflade, på trods af årtiers forskning og udvikling for at forbedre ydeevnen af ​​metalantenner, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor i Materials Science and Engineering i College of Engineering, og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute, der har igangsat og ledet projektet. "Vi ledte efter todimensionelle nanomaterialer, som har arktykkelse omkring hundrede tusinde gange tyndere end et menneskehår; kun et par atomer på tværs, og kan selv samles til ledende film ved aflejring på enhver overflade. Derfor, vi valgte MXene, som er et todimensionelt titaniumcarbidmateriale, der er stærkere end metaller og er metallisk ledende, som en kandidat til ultratynde antenner."

Drexel-forskere opdagede familien af ​​MXene-materialer i 2011 og har fået en forståelse af deres egenskaber, og overvejer deres mulige anvendelser, lige siden. Det lagdelte todimensionelle materiale, som er fremstillet ved våd kemisk behandling, har allerede vist potentiale i energilagringsenheder, elektromagnetisk afskærmning, vandfiltrering, kemisk sansning, strukturel forstærkning og gasadskillelse.

Naturligvis har MXene-materialer draget sammenligninger med lovende todimensionelle materialer som grafen, som vandt Nobelprisen i 2010 og er blevet udforsket som materiale til printbare antenner. I avisen, Drexel-forskerne satte spray-on-antennerne op mod en række antenner lavet af disse nye materialer, inklusive grafen, sølv blæk og carbon nanorør. MXene-antennerne var 50 gange bedre end grafen og 300 gange bedre end sølvblækantenner med hensyn til at bevare kvaliteten af ​​radiobølgetransmission.

"MXene-antennen overgik ikke kun makro- og mikroverdenen af ​​metalantenner, vi gik ud over ydeevnen af ​​tilgængelige nanomateriale-antenner, mens du holder antennetykkelsen meget lav, " sagde Babak Anasori, Ph.D., en forskningsadjunkt i A.J. Drexel Nanomaterials Institute. "Den tyndeste antenne var så tynd som 62 nanometer - omkring tusind gange tyndere end et ark papir - og den var næsten gennemsigtig. I modsætning til andre metoder til fremstilling af nanomaterialer, der kræver tilsætningsstoffer, kaldet bindemidler, og ekstra opvarmningstrin for at sintre nanopartiklerne sammen, vi lavede antenner i et enkelt trin ved at sprøjte vores vandbaserede MXene-blæk med airbrush."

Gruppen testede oprindeligt sprøjtepåføringen af ​​antenneblæk på et groft substrat - cellulosepapir - og et glat - polyethylenterephthalat-ark - det næste skridt i deres arbejde vil være at se på de bedste måder at anvende det på en lang række af overflader fra glas til garn og skind.

"Yderligere forskning i brug af materialer fra MXene-familien i trådløs kommunikation kan muliggøre fuldstændig gennemsigtig elektronik og stærkt forbedrede bærbare enheder, der vil understøtte den aktive livsstil, vi lever, " sagde Anasori.