Drexel University forskare har producerat flexibla, sprayapplicerade antenner gjorda av ett tvådimensionellt material som kallas MXene, som har nått prestandamått i nivå med dagens telekommunikationsteknik. Kredit:Drexel University (Meikang Han)
Nya antenner så tunna att de kan sprutas på plats är också robusta nog att ge en stark signal vid bandbredder som kommer att användas av femte generationens (5G) mobila enheter. Prestandaresultat för antennerna, som är gjorda av en ny typ av tvådimensionellt material som kallas MXene, rapporterades nyligen av forskare vid Drexel University och kan ha konsekvenser för mobila enheter, bärbar och ansluten "internet of things"-teknik.
MXene-antennerna, som har varit under utveckling hos Drexel i drygt två år, presterar redan nästan lika bra som kopparantennerna som finns i de flesta mobila enheter på marknaden idag, men med fördelen att de bara är en bråkdel av deras tjocklek och vikt.
"Denna kombination av kommunikationsprestanda med extrem tunnhet, flexibilitet och hållbarhet sätter en ny standard för antennteknik, sa Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach professor i materialvetenskap och teknik vid Drexels College of Engineering, som är huvudförfattare till en artikel om MXene-antennerna som nyligen publicerats i tidskriften Avancerade material . "Medan kopparantenner har varit de bästa när det gäller prestanda under ganska lång tid, deras fysiska begränsningar har hindrat uppkopplad och mobil teknik från att ta de stora steg framåt som många har förutspått. På grund av deras unika uppsättning egenskaper kan MXene-antenner spela en möjliggörande roll i utvecklingen av IoT-teknik."
Medan mobilkommunikationsföretag för närvarande är på väg att introducera 5G-teknik, som skulle kunna dra fördel av en mindre använd del av telekommunikationsspektrumet för att möjliggöra snabbare dataöverföring, det kommer sannolikt att bli standardområdet för ny teknik.
Utöver att nå prestandaförmåga, Antenner för framtidens enheter måste också kunna frigöra sig själva i en mängd olika miljöer utanför telefoners och datorers kretskort. Enligt Gogotsi, detta gör MXene till ett tilltalande material för nya antenner eftersom det kan sprayappliceras, screentryckt eller bläckstråletryckt på nästan vilket underlag som helst och förblir flexibel utan att ge avkall på prestanda.
Ultratunna, sprayapplicerade MXene-antenner, utvecklad av forskare vid Drexel University, presterar i nivå med antenner som för närvarande används inom femte generationens telekommunikationsteknik. Kredit:Drexel University (Meikang Han)
"Generellt tillverkas kopparantenner genom att etsa kretskort, detta är en svår process att genomföra på ett flexibelt underlag, sa Meikang Han, Ph.D., en postdoktor vid A.J. Drexel Nanomaterials Institute som bidrog till forskningen." Detta ger MXene en klar fördel eftersom det sprids i vatten för att producera ett bläck som kan sprutas eller tryckas på byggnadsväggar eller flexibla substrat för att skapa antenner."
I tidningen, Gogotsi och hans medarbetare, inklusive professor Gary Friedman, Ph.D., och Kapil Dandekar, Ph.D., E. Warren Colehower ordförande professor vid avdelningen för elektro- och datorteknik vid Drexels College of Engineering, rapporterade om prestandan hos tre uppsättningar spraybelagda MXene-antenner, som var mellan 7-14 gånger tunnare och 15-30 gånger lättare än en liknande kopparantenn — till och med tunnare än ett lager färg. De testade antennerna i både labb och öppna miljöer för nyckelprestandamått på hur effektivt antennen omvandlar ström till riktade vågor – förstärkning, strålningseffektivitet och riktverkan. Och de gjorde testerna vid de tre radiofrekvenser som vanligtvis används för telekommunikation, inklusive en i målfrekvensen för drift för 5G-enheter.
I varje fall, MXene-antennerna presterade inom 5 % procent av kopparantennerna, med prestanda som ökar med tjockleken på antennen. Den bäst presterande MXene patchantennen, ungefär en sjundedel av tjockleken på vanliga kopparantenner, var 99 % lika effektiv som en kopparantenn som arbetar på 16,4 GHz-frekvensen i en öppen miljö. MXenes var också 98 % lika effektiva som deras kopparmotsvarigheter som arbetade i 5G-bandbredden.
Deras prestanda överträffade den hos flera andra nya material som övervägs för antenner, inklusive silverbläck, kolnanorör och grafen. Och, väsentligt, dessa prestandasiffror avstod inte när MXene-antennerna utsattes för så många som 5, 000 böjcykler – ett märke på hållbarhet som vida överträffar dess jämnåriga material.
"MXenes skalbarhet och miljömässig hållbarhet i tillverkningen har etablerats väl, att detta material nu ska uppnå prestandamål i takt med de bästa materialen på marknaden idag är verkligen en betydande utveckling, ", sa Gogotsi. "När vi fortsätter att testa olika beläggningsmönster och tekniker samtidigt som vi optimerar sammansättningen av MXene-material, Jag förväntar mig att deras prestationer kommer att fortsätta att förbättras."
