Fibrer av kolnanorör konfigurerade som trådlösa antenner kan vara lika bra som kopparantenner men 20 gånger lättare, enligt forskare från Rice University. Antennerna kan erbjuda praktiska fördelar för rymdapplikationer och bärbar elektronik där vikt och flexibilitet är faktorer.

Forskningen visas i Tillämpad fysikbokstäver .

Upptäckten erbjuder fler potentiella applikationer för de starka, lätta nanorörsfibrer utvecklade av Rice lab av kemisten och kemiingenjören Matteo Pasquali. Labbet introducerade den första praktiska metoden för att göra högkonduktiva kolnanorörsfibrer 2013 och har sedan testat dem för användning som hjärnimplantat och i hjärtoperationer, bland andra applikationer.

Forskningen kan hjälpa ingenjörer som försöker effektivisera material för flygplan och rymdfarkoster där vikt är lika med kostnad. Ökat intresse för bärbara produkter som handledsbaserade hälsoskärmar och kläder med inbäddad elektronik kan dra nytta av starka, flexibla och ledande fiberantenner som skickar och tar emot signaler, Pasquali sa.

Rice -teamet och kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST) utvecklade ett mått som de kallade "specifik strålningseffektivitet" för att bedöma hur väl nanorörsfibrer utstrålade signaler vid de vanliga trådlösa kommunikationsfrekvenserna 1 och 2,4 gigahertz och jämförde deras resultat med standard kopparantenner. De tillverkade tråd som består av åtta till 128 fibrer som är ungefär lika tunna som ett människohår och klippt i samma längd för att testa på en anpassad rigg som gjorde enkla jämförelser med koppar praktiskt.

"Antenner har vanligtvis en specifik form, och du måste designa dem mycket noggrant, "sade Rice -doktoranden Amram Bengio, tidningens huvudförfattare. "När de väl är i den formen, du vill att de ska förbli så. Så en av de första experimentella utmaningarna var att få vårt flexibla material att stanna kvar. "

I motsats till tidigare resultat från andra laboratorier (som använde olika kolfiberrör från fiberkällor), Risforskarna fann att fiberantennerna matchade koppar för strålningseffektivitet vid samma frekvenser och diametrar. Deras resultat stöder teorier som förutspådde prestanda för nanorörsantenner skulle skala med fiberns densitet och konduktivitet.

"Inte bara fann vi att vi fick samma prestanda som koppar för samma diameter och tvärsnittsarea, men när vi väl tog hänsyn till vikten, vi fann att vi i princip gör detta för 1/20 vikten av koppartråd, "Sa Bengio.

"Ansökningar om detta material är en stor försäljningsargument, men från ett vetenskapligt perspektiv, vid dessa frekvenser beter sig nanorörets makromaterial som en typisk ledare, "sa han. Även fibrer som betraktas som" måttligt ledande "visade överlägsen prestanda, Trots att tillverkare helt enkelt kunde använda tunnare koppartrådar istället för de 30-gauge-trådar som de för närvarande använder, dessa ledningar skulle vara mycket ömtåliga och svåra att hantera, Pasquali sa.

"Amram visade att om du gör tre saker rätt - gör rätt fibrer, tillverka antennen korrekt och utforma antennen enligt telekommunikationsprotokoll - då får du antenner som fungerar bra, "sa han." När du går till mycket tunna antenner vid höga frekvenser, du får mindre nackdel jämfört med koppar eftersom koppar blir svårt att hantera med tunna mätare, medan nanorör, med sitt textilliknande beteende, håll ut ganska bra. "