Les chercheurs de l'Université Drexel ont produit des des antennes pulvérisées fabriquées à partir d'un matériau bidimensionnel appelé MXene, qui ont atteint des mesures de performance comparables à celles de la technologie actuelle des télécommunications. Crédit :Université Drexel (Meikang Han)
Les nouvelles antennes si fines qu'elles peuvent être pulvérisées en place sont également suffisamment robustes pour fournir un signal fort à des bandes passantes qui seront utilisées par les appareils mobiles de cinquième génération (5G). Résultats de performance pour les antennes, qui sont fabriqués à partir d'un nouveau type de matériau bidimensionnel appelé MXene, ont été récemment signalés par des chercheurs de l'Université Drexel et pourraient avoir des ramifications pour le mobile, technologie « internet des objets » portable et connectée.
Les antennes MXene, qui sont en développement chez Drexel depuis un peu plus de deux ans, fonctionnent déjà presque aussi bien que les antennes en cuivre présentes dans la plupart des appareils mobiles sur le marché aujourd'hui, mais avec l'avantage de ne représenter qu'une fraction de leur épaisseur et de leur poids.
"Cette combinaison de performances de communication avec une extrême finesse, la flexibilité et la durabilité définissent une nouvelle norme pour la technologie d'antenne, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distinguished University et professeur Bach de science et d'ingénierie des matériaux au Drexel's College of Engineering, qui est l'auteur principal d'un article sur les antennes MXene récemment publié dans la revue Matériaux avancés . « Alors que les antennes en cuivre sont les meilleures en termes de performances depuis un certain temps, leurs limitations physiques ont empêché la technologie connectée et mobile de faire les grands pas en avant que beaucoup ont prédit. En raison de leur ensemble unique de caractéristiques, les antennes MXene pourraient jouer un rôle moteur dans le développement de la technologie IoT."
Alors que les entreprises de communications mobiles sont actuellement sur le point d'introduire la technologie 5G, qui pourrait capitaliser sur une partie moins utilisée du spectre des télécommunications pour permettre une transmission de données plus rapide, il deviendra probablement la plage de fonctionnement standard pour les nouvelles technologies.
Au-delà d'atteindre les capacités de performance, les antennes pour les appareils du futur doivent également être capables de bien s'adapter à une variété d'environnements en dehors des circuits imprimés des téléphones et des ordinateurs. Selon Gogotsi, cela fait du MXene un matériau attrayant pour les nouvelles antennes car il peut être appliqué par pulvérisation, sérigraphié ou imprimé à jet d'encre sur à peu près n'importe quel substrat et reste flexible sans sacrifier les performances.
Très mince, antennes MXene appliquées par pulvérisation, développé par des chercheurs de l'Université Drexel, fonctionne au même niveau que les antennes actuellement utilisées dans la technologie des télécommunications de cinquième génération. Crédit :Université Drexel (Meikang Han)
"Généralement, les réseaux d'antennes en cuivre sont fabriqués par gravure de cartes de circuits imprimés, c'est un procédé difficile à entreprendre sur un substrat souple, " dit Meikang Han, Doctorat., chercheur post-doctoral à l'A.J. Drexel Nanomaterials Institute qui a contribué à la recherche. "Cela donne au MXene un avantage certain car il se disperse dans l'eau pour produire une encre, qui peuvent être pulvérisés ou imprimés sur les murs des bâtiments ou des substrats flexibles pour créer des antennes."
Dans le journal, Gogotsi et ses collaborateurs, dont le professeur Gary Friedman, Doctorat., et Kapil Dandekar, Doctorat., E. Warren Colehower Chaire Professeur du Département de génie électrique et informatique du Drexel's College of Engineering, a rendu compte des performances de trois ensembles d'antennes MXene à revêtement par pulvérisation, qui étaient entre 7 et 14 fois plus fines et 15 à 30 fois plus légères qu'une antenne en cuivre similaire, voire plus fine qu'une couche de peinture. Ils ont testé les antennes dans des environnements de laboratoire et ouverts pour des mesures de performance clés de l'efficacité avec laquelle l'antenne convertit la puissance en ondes dirigées - gain, efficacité de rayonnement et directivité. Et ils ont fait les tests aux trois fréquences radio couramment utilisées pour les télécommunications, dont un dans la fréquence de fonctionnement cible pour les appareils 5G.
Dans chaque cas, les antennes MXene fonctionnaient à moins de 5% des antennes en cuivre, avec des performances augmentant avec l'épaisseur de l'antenne. L'antenne patch MXene la plus performante, environ un septième de l'épaisseur des antennes en cuivre standard, était à 99% aussi efficace qu'une antenne en cuivre fonctionnant à une fréquence de 16,4 GHz dans un environnement ouvert. Les MXenes étaient également 98% aussi efficaces que leurs homologues en cuivre fonctionnant dans la bande passante 5G.
Leurs performances dépassent celles de plusieurs autres nouveaux matériaux envisagés pour les antennes, y compris l'encre d'argent, nanotubes de carbone et graphène. Et, de manière significative, ces chiffres de performance n'ont pas dérogé lorsque les antennes MXene ont été soumises à jusqu'à 5, 000 cycles de pliage—une marque de durabilité qui surpasse de loin ses matériaux pairs.
"L'évolutivité et la durabilité environnementale de MXene dans la fabrication ont été bien établies, que ce matériau atteigne désormais les objectifs de performance au même rythme que les meilleurs matériaux sur le marché aujourd'hui est certainement un développement important, " a déclaré Gogotsi. " Alors que nous continuons à tester divers modèles et techniques de revêtement tout en optimisant en outre la composition des matériaux MXene, Je m'attends à ce que leurs performances continuent de s'améliorer."
