喷涂天线可以释放智能互联技术的潜力

可穿戴设备，功能性面料，物联网以及他们的“下一代”技术人群的承诺似乎非常引人注目。但该领域的研究人员会告诉你，他们延迟“到达”的一个主要原因是无缝集成连接技术 - 即天线 - 与变形和灵活的“事物”。

但是德雷克塞尔工程学院的研究人员取得了突破，现在可以安装天线，就像应用一些喷雾一样简单。

在最近发表在Science Advances上的研究报告中，该小组报告了一种喷射隐形薄天线的方法，该天线由一种名为MXene的二维金属材料制成，其性能与移动设备，无线路由器和便携式设备中使用的一样好。换能器。

“这是一个非常令人兴奋的发现，因为这种类型的技术有很大的潜力，”负责Drexel无线系统实验室的工程学院电气和计算机工程教授Kapil Dandekar博士说。该研究的共同作者。“将天线喷涂在柔性基板上或使其光学透明的能力意味着我们可以有很多新的地方来建立网络 - 有新的应用和收集数据的新方法，我们甚至无法想象此时此刻。”

来自该学院材料科学与工程系的研究人员报告称，MXene碳化钛可以溶解在水中形成油墨或油漆。材料的优异导电性使其能够传输和引导无线电波，即使它应用于非常薄的涂层。

“我们发现即使是厚度为几十纳米的透明天线也能够有效地进行通信，”AJ Drexel纳米材料研究所和材料科学与工程系的博士候选人Asia Sarycheva说。“通过将厚度增加到8微米，MXene天线的性能达到了预测最大值的98%。”

以这种薄的形式保持传输质量是很重要的，因为它可以使天线容易地嵌入 - 在字面上，喷涂在 - 各种物体和表面上，而不增加额外的重量或电路或需要一定程度的刚性。

“这项技术可以实现天线与日常物品的真正无缝集成，这对于新兴的物联网至关重要，”Dandekar说。“研究人员用非传统材料做了很多工作，试图找出制造技术满足系统需求的地方，但这项技术可以让我们更容易回答我们多年来一直在努力解决的一些难题。”

喷涂天线的初步测试表明它们可以与当前天线具有相同的质量范围，当前天线由熟悉的金属制成，如金，银，铜和铝，但比MXene天线厚得多。使天线更小更轻，长期以来一直是材料科学家和电气工程师的目标，因此这一发现在减少其占地面积和扩大应用方面都是一个相当大的进步。

“尽管经过数十年的研究和开发以改善金属天线的性能，但目前的金属制造方法不能使天线足够薄并适用于任何表面，”Yury Gogotsi博士，杰出大学和巴赫材料科学与工程教授说。在工程学院和AJ Drexel纳米材料研究所所长，他发起并领导了该项目。“我们正在寻找二维纳米材料，其厚度比人类头发薄几十万倍;只有几个原子穿过，并且可以在任何表面上沉积后自组装成导电薄膜。因此，我们选择了MXene，这是一种二维碳化钛材料，比金属更坚固，具有金属导电性，

Drexel研究人员在2011年发现了MXene材料系列，并且从那时起就开始了解它们的特性，并考虑它们的可能应用。通过湿化学处理制成的分层二维材料已经在储能装置，电磁屏蔽，水过滤，化学传感，结构增强和气体分离中显示出潜力。

当然，MXene材料已经与有前途的二维材料(如石墨烯)进行了比较，石墨烯在2010年获得了诺贝尔奖，并被作为可印刷天线的材料进行了探索。在该论文中，Drexel的研究人员将喷涂天线放在由这些新材料制成的各种天线上，包括石墨烯，银墨水和碳纳米管。在保持无线电波传输质量方面，MXene天线比石墨烯好50倍，比银墨天线好300倍。

“MXene天线不仅超越了金属天线的宏观和微观世界，我们超越了可用纳米材料天线的性能，同时保持天线厚度非常低，”AJ Drexel纳米材料研究所研究助理教授Babak Anasori博士说。 。“最薄的天线薄至62纳米 - 比纸羊薄约一千倍 - 它几乎是透明的。与其他纳米材料制造方法不同，这需要添加剂，称为粘合剂，以及额外的加热步骤来烧结纳米颗粒在一起，我们通过喷枪喷涂我们的水性MXene墨水一步完成天线。“

该小组最初测试了天线油墨在粗糙基材上的喷涂应用 - 纤维素纸和光滑的 - 聚对苯二甲酸乙二醇酯板 - 下一步的工作将是寻找应用它的最佳方法从玻璃到纱线和皮肤的各种表面。

“使用MXene系列材料进行无线通信的进一步研究可以实现完全透明的电子设备，并大大改善可穿戴设备，支持我们的生活方式，”Anasori说。