Des chercheurs du Collège d'ingénierie de l'Université Drexel ont mis au point un moyen de "peinture par pulvérisation" des antennes invisiblement minces à partir d'un type de matériau bidimensionnel appelé MXene. Les antennes fonctionnent aussi bien ou mieux que celles actuellement utilisées dans les appareils mobiles et les étiquettes RFID. Crédit :Université Drexel - Kanit Hantanasirisakul
La promesse des wearables, tissus fonctionnels, l'Internet des objets, et leur cohorte technologique de « nouvelle génération » semble à portée de main. Mais les chercheurs dans le domaine vous diront que l'une des principales raisons de leur « arrivée » retardée est le problème de l'intégration transparente de la technologie de connexion, à savoir, antennes—avec des « choses » flexibles et changeantes de forme.
Mais une percée des chercheurs du Drexel's College of Engineering, pourrait maintenant rendre l'installation d'une antenne aussi simple que l'application d'un insectifuge.
Dans une recherche publiée récemment dans Avancées scientifiques , le groupe rend compte d'une méthode de pulvérisation d'antennes invisiblement minces, fabriqué à partir d'un type de bidimensionnel, matériau métallique appelé MXene, qui fonctionnent aussi bien que ceux utilisés dans les appareils mobiles, routeurs sans fil et transducteurs portables.
"C'est une découverte très excitante car il y a beaucoup de potentiel pour ce type de technologie, " a déclaré Kapil Dandekar, Doctorat., professeur de génie électrique et informatique au Collège d'ingénierie, qui dirige le Drexel Wireless Systems Lab, et a été co-auteur de la recherche. « La possibilité de pulvériser une antenne sur un substrat flexible ou de la rendre optiquement transparente signifie que nous pourrions avoir beaucoup de nouveaux endroits pour installer des réseaux – il existe de nouvelles applications et de nouvelles façons de collecter des données que nous ne pouvons même pas imaginer au moment."
Les chercheurs, du Département de science et génie des matériaux du Collège, rapportent que le carbure de titane MXene peut être dissous dans l'eau pour créer une encre ou une peinture. La conductivité exceptionnelle du matériau lui permet de transmettre et de diriger des ondes radio, même lorsqu'il est appliqué en couche très fine.
"Nous avons constaté que même des antennes transparentes d'une épaisseur de dizaines de nanomètres étaient capables de communiquer efficacement, " a déclaré Asia Sarycheva, un doctorant à l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux et Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux. "En augmentant l'épaisseur jusqu'à 8 microns, les performances de l'antenne MXene ont atteint 98 % de sa valeur maximale prévue."
Préserver la qualité de transmission sous une forme aussi mince est important car cela permettrait aux antennes d'être facilement intégrées - littéralement, pulvérisé sur une grande variété d'objets et de surfaces sans ajouter de poids ou de circuits supplémentaires ou nécessitant un certain niveau de rigidité.
En utilisant une encre conductrice fabriquée à partir d'un type de matériau bidimensionnel appelé MXene, développé chez Drexel, les chercheurs peuvent « pulveriser de la peinture » sur des antennes sur diverses surfaces. Cette découverte pourrait aider à libérer le potentiel de la technologie intelligente et à étendre l'Internet des objets. Crédit :Université Drexel - Kanit Hantanasirisakul
« Cette technologie pourrait permettre une intégration vraiment transparente des antennes avec des objets du quotidien, ce qui sera essentiel pour l'émergence de l'Internet des objets, " Dandekar a déclaré. " Les chercheurs ont fait beaucoup de travail avec des matériaux non traditionnels en essayant de comprendre où la technologie de fabrication répond aux besoins du système, mais cette technologie pourrait permettre de répondre beaucoup plus facilement à certaines des questions difficiles sur lesquelles nous travaillons depuis des années."
Les premiers tests des antennes pulvérisées suggèrent qu'elles peuvent fonctionner avec la même gamme de qualité que les antennes actuelles, qui sont fabriqués à partir de métaux familiers, comme l'or, argent, cuivre et aluminium, mais sont beaucoup plus épaisses que les antennes MXene. Rendre les antennes plus petites et plus légères est depuis longtemps un objectif des scientifiques des matériaux et des ingénieurs électriciens, cette découverte est donc un pas en avant considérable à la fois en termes de réduction de leur empreinte et d'élargissement de leur application.
"Les méthodes actuelles de fabrication des métaux ne peuvent pas rendre les antennes suffisamment minces et applicables à n'importe quelle surface, malgré des décennies de recherche et développement pour améliorer les performances des antennes métalliques, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distinguished University et professeur Bach de science et d'ingénierie des matériaux au Collège d'ingénierie, et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux, qui a initié et dirigé le projet. « Nous recherchions des nanomatériaux bidimensionnels, qui ont une épaisseur de feuille environ cent mille fois plus fine qu'un cheveu humain; juste quelques atomes à travers, et peut s'auto-assembler en films conducteurs lors du dépôt sur n'importe quelle surface. Par conséquent, nous avons sélectionné MXene, qui est un matériau en carbure de titane bidimensionnel, qui est plus résistant que les métaux et qui est métalliquement conducteur, comme candidat pour les antennes ultra-minces."
Les chercheurs de Drexel ont découvert la famille des matériaux MXene en 2011 et ont acquis une compréhension de leurs propriétés, et compte tenu de leurs applications possibles, depuis. Le matériau bidimensionnel en couches, qui est fabriqué par traitement chimique humide, a déjà montré du potentiel dans les dispositifs de stockage d'énergie, blindage électromagnétique, filtration de l'eau, détection chimique, renforcement structurel et séparation des gaz.
Naturellement, les matériaux MXene ont établi des comparaisons avec des matériaux bidimensionnels prometteurs comme le graphène, qui a remporté le prix Nobel en 2010 et a été exploré comme matériau pour les antennes imprimables. Dans le journal, les chercheurs de Drexel ont confronté les antennes pulvérisées à une variété d'antennes fabriquées à partir de ces nouveaux matériaux, dont le graphène, encre d'argent et nanotubes de carbone. Les antennes MXene étaient 50 fois meilleures que le graphène et 300 fois meilleures que les antennes à encre argent en termes de préservation de la qualité de la transmission des ondes radio.
"L'antenne MXene a non seulement surpassé le monde macro et micro des antennes métalliques, nous sommes allés au-delà des performances des antennes en nanomatériaux disponibles, tout en gardant l'épaisseur de l'antenne très faible, " dit Babak Anasori, Doctorat., un professeur assistant de recherche à A.J. Institut Drexel des nanomatériaux. "L'antenne la plus fine était aussi fine que 62 nanomètres - environ mille fois plus fine qu'une feuille de papier - et elle était presque transparente. Contrairement à d'autres méthodes de fabrication de nanomatériaux, qui nécessite des additifs, appelés classeurs, et des étapes supplémentaires de chauffage pour fritter les nanoparticules ensemble, nous avons fabriqué des antennes en une seule étape en pulvérisant à l'aérographe notre encre MXene à base d'eau."
Le groupe a initialement testé l'application par pulvérisation de l'encre d'antenne sur un substrat rugueux - du papier cellulosique - et un substrat lisse - des feuilles de polyéthylène téréphtalate - la prochaine étape de leur travail consistera à rechercher les meilleures façons de l'appliquer à une grande variété. des surfaces du verre au fil et à la peau.
« Des recherches supplémentaires sur l'utilisation de matériaux de la famille MXene dans les communications sans fil peuvent permettre une électronique entièrement transparente et des appareils portables considérablement améliorés qui soutiendront les modes de vie actifs que nous vivons, " dit Anasori.
