喷涂超薄天线:为物联网与可穿戴技术带来新机遇
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-03-28
导读
近日,美国德雷塞尔大学工学院的研究人员的一项最新研究突破,使得安装天线简单得如同喷杀虫水一样。
背景
如今,可穿戴设备、功能性面料、物联网及其“下一代”技术队列,给人以触手可及的希望。
从汗水中提取能量的新型柔性燃料电池(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)
具有通信功能的柔性且可洗的织物(图片来源:麻省理工学院)
电子粘贴物让更多物体实现物联网(图片来源:普渡大学 / Chi Hwan Lee)
可是,这些技术的普及却有点“姗姗来迟”。这些领域的研究人员却告诉我们,这主要是由于,通过可变形且柔性的“物”无缝地集成连接技术所带来的问题。换句话说,这种连接技术也就是“天线”。
由石墨烯制成的柔性NFC天线(图片来源: Graphene Flagship)
创新
然而,美国德雷塞尔大学工学院的研究人员的一项最新研究突破,使得安装天线简单得如同喷杀虫水一样。
(图片来源: 德雷塞尔大学)
在一篇近期发表在《科学进展( Science Advances)》期刊上的论文中,研究人员报告了一种“无形地”喷涂超薄天线的方法,这种天线由一种称为“MXene”的二维金属材料制成。这种天线的性能堪比移动设备、无线路由器以及便携式换能器中使用的天线。
技术
该校工学院材料科学与工程系的研究人员们报告,碳化钛(MXene)可溶解于水,从而制造出墨水或涂料。这种材料杰出的导电性使之能传输并引导无线电波,甚至应用于超薄涂层。
(图片来源: 德雷塞尔大学)
德雷塞尔纳米材料研究所、材料科学与工程系的博士研究生 Asia Sarycheva 表示:“我们发现,几十纳米厚的透明天线也能有效地通信。将厚度增至8微米, MXene 天线的性能可达到预测的最大值的98%。”
在如此薄的形状下保持传输质量,意义非常重大。因为,它使得天线可轻易地嵌入甚至喷涂到一系列物体和表面上,而无需增加额外的重量或电路,也无需一定程度的刚性。
这种喷涂天线的初始测试表明,它们质量与现有天线一样。现有的天线由我们所熟悉的材料,例如金、银、铜与铝组成,但是它们比 MXene 天线要厚得多。让天线变得更小更轻,一直是材料科学家与电气工程们的目标,所以这一发现是朝着减少空间以及拓展应用的目标迈出的相当大的一步。
工学院材料科学与工程系教授、德雷塞尔纳米材料研究所主任、该项目的发起者与领导者 Yury Gogotsi 表示:“尽管为了提升金属天线的性能,科学家们进行了几十年的研发。然而,现有的金属制造方法,无法使天线变得足够薄以及应用于任何表面。我们一直在寻找厚度为人类头发丝成百千分之一的二维纳米材料,只有几个原子的宽度,并可自组装到任何表面上沉积的导电薄膜中。因此,我们选择了 MXene 作为超薄天线的一种候选材料,它是一种二维的碳化钛材料,比金属强度更高,而且是金属导电的。 ”
(图片来源: 德雷塞尔大学)
2011年,德雷塞尔大学的研究人员于发现了 MXene 材料家族,并一直尝试理解它们的特性,从那时起就在研究它们可能的应用。这种分层的二维材料,通过湿法化学加工制作,已经在能量存储设备、电磁屏蔽、水过滤、化学感知、结构加固以及气体分离等领域中展示出巨大的潜力。
MXene 材料可以媲美非常有前景的二维材料,例如石墨烯,石墨烯曾在2010年获得诺贝尔奖,并作为可印刷天线的材料来开发。在论文中,德雷塞尔大学的研究人员将喷涂的天线与石墨烯、银系油墨和碳纳米管等各种新材料制成的天线进行对比。在保持无线电波传输质量方面,MXene 天线胜过石墨烯天线50倍,胜过银系油墨天线300倍。
价值
德雷塞尔大学无线系统实验室主任、工学院电气与计算机工程系教授、论文合著者之一的 Kapil Dandekar 博士表示:“这是一项非常令人振奋的发现,因为这种技术潜力巨大。能在柔性基底上喷涂这种天线,以及让它变得光学透明,意味着我们可以在许多新地方建立网络。新应用以及采集数据的新方法,甚至是我们目前无法想像的。”
Kapil Dandekar 博士还表示:“这项技术能真正将天线无缝地集成到日常物品上,这些物品对于新兴的物联网来说至关重要。研究人员已经通过非传统材料做了许多工作,以尝试搞清楚制造技术在哪里可以满足系统需求,但是这项技术使得回答我们已为之工作多年的一些困难问题变得容易得多。”
德雷塞尔纳米材料研究所助理研究教授 Babak Anasori 博士表示:“MXene 天线不仅胜过了宏观与微观世界的金属天线,而且性能超越了现有的纳米材料天线,将天线的厚度保持得非常低。最薄的天线厚度只有62纳米,不足一张纸厚度的千分之一,且几乎是透明的。不同于其他需要添加剂即所谓的‘粘合剂’和额外加热步骤来将纳米颗粒烧结到一起的纳米材料制造方法,我们通过喷枪喷涂水基 MXene 油墨,只需单步就能制造出天线。”
Anasori 博士还表示:“ 在无线通信领域,采用 MXene 家族材料进行更进一步的研究,将带来完全透明的电子器件,并极大地提升可穿戴设备的性能,这些设备将有利于我们生活在积极的生活方式中。”
未来
研究小组一开始在粗糙不平的基底(纤维素纸)以及一种平滑的基底(聚对苯二甲酸乙二醇酯)测试了天线油墨的喷涂应用。下一步,他们将寻找最佳的方案将它应用到各种表面上,从玻璃到纱线以及皮肤。
关键字
天线、柔性电子、二维材料、物联网、通信
参考资料
【1】https://drexel.edu/now/archive/2018/September/MXene-spray-antennas/
【2】Asia Sarycheva, Alessia Polemi, Yuqiao Liu, Kapil Dandekar, Babak Anasori, Yury Gogotsi. 2D titanium carbide (MXene) for wireless communication. Science Advances, 2018; 4 (9): eaau0920 DOI: 10.1126/sciadv.aau0920
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