Forskare från Drexel Universitys College of Engineering har utvecklat ett sätt att "sprutmåla" osynligt tunna antenner från en typ av tvådimensionellt material som kallas MXene. Antennerna presterar lika bra eller bättre än de som för närvarande används i mobila enheter och RFID-taggar. Kredit:Drexel University - Kanit Hantanasirisakul
Löftet om wearables, funktionella tyger, Internet of Things, och deras "nästa generations" tekniska kohort verkar lockande inom räckhåll. Men forskare inom området kommer att berätta för dig att en främsta orsaken till deras försenade "ankomst" är problemet med att sömlöst integrera anslutningstekniken – nämligen, antenner — med formskiftande och flexibla "saker".
Men ett genombrott av forskare vid Drexels College of Engineering, kan nu göra det lika enkelt att installera en antenn som att applicera lite insektsspray.
I forskning som nyligen publicerats i Vetenskapens framsteg , gruppen rapporterar om en metod för att spraya osynligt tunna antenner, gjord av en typ av tvådimensionell, metalliskt material som kallas MXene, som fungerar lika bra som de som används i mobila enheter, trådlösa routrar och bärbara givare.
"Detta är ett mycket spännande fynd eftersom det finns mycket potential för den här typen av teknik, sa Kapil Dandekar, Ph.D., professor i elektro- och datateknik vid ingenjörsskolan, som leder Drexel Wireless Systems Lab, och var medförfattare till forskningen. "Möjligheten att spraya en antenn på ett flexibelt substrat eller göra det optiskt transparent betyder att vi kan ha många nya platser att sätta upp nätverk på – det finns nya applikationer och nya sätt att samla in data som vi inte ens kan föreställa oss på ögonblick."
Forskarna, från högskolans institution för materialvetenskap och teknik, rapportera att MXene-titankarbiden kan lösas i vatten för att skapa en bläck eller färg. Materialets exceptionella ledningsförmåga gör det möjligt för det att sända och rikta radiovågor, även när det appliceras i en mycket tunn beläggning.
"Vi fann att även genomskinliga antenner med tjocklekar på tiotals nanometer kunde kommunicera effektivt, sa Asia Sarycheva, en doktorand i A.J. Drexel Nanomaterials Institute och Materials Science and Engineering Department. "Genom att öka tjockleken upp till 8 mikron, prestandan hos MXene-antenn uppnådde 98 procent av dess förutspådda maximala värde."
Att bevara överföringskvaliteten i en så tunn form är viktigt eftersom det skulle göra det möjligt för antenner att enkelt bäddas in – bokstavligen, sprutas på – i en mängd olika föremål och ytor utan att lägga till extra vikt eller kretsar eller kräva en viss grad av styvhet.
Med ett ledande bläck tillverkat av en typ av tvådimensionellt material som kallas MXene, utvecklad på Drexel, forskare kan "sprutmåla" antenner på en mängd olika ytor. Denna upptäckt kan hjälpa till att låsa upp potentialen hos smart teknik och utöka Internet of Things. Kredit:Drexel University - Kanit Hantanasirisakul
"Denna teknik kan möjliggöra en verkligt sömlös integration av antenner med vardagliga föremål, vilket kommer att vara avgörande för det framväxande Internet of Things, "Dandekar sa. "Forskare har gjort mycket arbete med icke-traditionella material för att försöka ta reda på var tillverkningstekniken möter systembehov, men den här tekniken kan göra det mycket lättare att svara på några av de svåra frågorna vi har arbetat med i flera år."
Initial testning av de besprutade antennerna tyder på att de kan prestera med samma kvalitetsomfång som nuvarande antenner, som är gjorda av bekanta metaller, som guld, silver, koppar och aluminium, men är mycket tjockare än MXene-antenner. Att göra antenner mindre och lättare har länge varit ett mål för materialvetare och elektroingenjörer, så denna upptäckt är ett stort steg framåt både när det gäller att minska deras fotavtryck och bredda deras tillämpning.
"Nuvarande tillverkningsmetoder för metaller kan inte göra antenner tillräckligt tunna och applicerbara på vilken yta som helst, trots årtionden av forskning och utveckling för att förbättra prestanda hos metallantenner, sa Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach professor i materialvetenskap och teknik vid College of Engineering, och direktör för A.J. Drexel Nanomaterials Institute, som initierade och ledde projektet. "Vi letade efter tvådimensionella nanomaterial, som har en arktjocklek ungefär hundra tusen gånger tunnare än ett människohår; bara några få atomer över, och kan självmontera till ledande filmer vid avsättning på vilken yta som helst. Därför, vi valde MXene, som är ett tvådimensionellt titankarbidmaterial, som är starkare än metaller och är metalliskt ledande, som en kandidat för ultratunna antenner."
Drexel-forskare upptäckte familjen MXene-material 2011 och har fått en förståelse för deras egenskaper, och överväger deras möjliga tillämpningar, alltsedan. Det skiktade tvådimensionella materialet, som tillverkas genom våtkemisk bearbetning, har redan visat potential i energilagringsenheter, elektromagnetisk skärmning, vattenfiltrering, kemisk avkänning, strukturell förstärkning och gasseparering.
Naturligtvis har MXene-material gjort jämförelser med lovande tvådimensionella material som grafen, som vann Nobelpriset 2010 och har utforskats som material för utskrivbara antenner. I tidningen, Drexel-forskarna satte spray-on-antennerna mot en mängd olika antenner gjorda av dessa nya material, inklusive grafen, silverbläck och nanorör i kol. MXene-antennerna var 50 gånger bättre än grafen och 300 gånger bättre än silverbläckantenner när det gäller att bevara kvaliteten på radiovågsöverföring.
"MXene-antennen överträffade inte bara makro- och mikrovärlden av metallantenner, vi gick utöver prestandan för tillgängliga nanomaterialantenner, samtidigt som antenntjockleken hålls mycket låg, " sa Babak Anasori, Ph.D., en forskarassistent i A.J. Drexel Nanomaterials Institute. "Den tunnaste antennen var så tunn som 62 nanometer – ungefär tusen gånger tunnare än ett pappersark – och den var nästan genomskinlig. Till skillnad från andra tillverkningsmetoder för nanomaterial, som kräver tillsatser, kallade pärmar, och extra steg av uppvärmning för att sintra ihop nanopartiklarna, vi gjorde antenner i ett enda steg genom att spraya vårt vattenbaserade MXene-bläck med airbrush."
Gruppen testade initialt spray-på-appliceringen av antennbläcket på ett grovt substrat - cellulosapapper - och ett slätt - polyetentereftalatark - nästa steg för deras arbete kommer att vara att titta på de bästa sätten att applicera det på en mängd olika av ytor från glas till garn och skinn.
"Ytterligare forskning om att använda material från MXene-familjen i trådlös kommunikation kan möjliggöra helt transparent elektronik och kraftigt förbättrade bärbara enheter som kommer att stödja den aktiva livsstil vi lever, " sa Anasori.