Vezels gemaakt van koolstofnanobuisjes die zijn geconfigureerd als draadloze antennes, kunnen net zo goed zijn als koperen antennes, maar 20 keer lichter, volgens onderzoekers van Rice University. De antennes kunnen praktische voordelen bieden voor ruimtevaarttoepassingen en draagbare elektronica waar gewicht en flexibiliteit factoren zijn.

Het onderzoek verschijnt in Technische Natuurkunde Brieven .

De ontdekking biedt meer potentiële toepassingen voor de sterke, lichtgewicht nanobuisvezels ontwikkeld door het Rice-lab van chemicus en chemisch ingenieur Matteo Pasquali. Het lab introduceerde de eerste praktische methode voor het maken van hooggeleidende koolstofnanobuisjes in 2013 en heeft ze sindsdien getest voor gebruik als hersenimplantaten en bij hartoperaties. onder andere toepassingen.

Het onderzoek kan ingenieurs helpen die materialen voor vliegtuigen en ruimtevaartuigen willen stroomlijnen waar gewicht gelijk is aan kosten. Een grotere belangstelling voor wearables zoals om de pols gedragen gezondheidsmonitoren en kleding met ingebouwde elektronica zou kunnen profiteren van sterke, flexibele en geleidende glasvezelantennes die signalen verzenden en ontvangen, zei Pasquali.

Het Rice-team en collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ontwikkelden een metriek die ze "specifieke stralingsefficiëntie" noemden om te beoordelen hoe goed nanobuisvezels signalen uitstraalden bij de gebruikelijke draadloze communicatiefrequenties van 1 en 2,4 gigahertz en vergeleken hun resultaten met standaard koperen antennes. Ze maakten draad bestaande uit acht tot 128 vezels die ongeveer zo dun zijn als een mensenhaar en op dezelfde lengte werden gesneden om te testen op een aangepaste rig die eenvoudige vergelijkingen met koper praktisch maakte.

"Antennes hebben meestal een specifieke vorm, en je moet ze heel zorgvuldig ontwerpen, " zei Rice afgestudeerde student Amram Bengio, hoofdauteur van de krant. "Als ze eenmaal in die vorm zijn, je wilt dat ze zo blijven. Dus een van de eerste experimentele uitdagingen was om ons flexibele materiaal te laten blijven zitten."

In tegenstelling tot eerdere resultaten van andere laboratoria (die verschillende bronnen van koolstofnanobuisjes gebruikten), de Rice-onderzoekers ontdekten dat de vezelantennes overeenkwamen met koper voor stralingsefficiëntie bij dezelfde frequenties en diameters. Hun resultaten ondersteunen theorieën die voorspelden dat de prestaties van nanobuisantennes zouden schalen met de dichtheid en geleidbaarheid van de vezel.

"We ontdekten niet alleen dat we dezelfde prestaties kregen als koper voor dezelfde diameter en dwarsdoorsnede, maar toen we eenmaal rekening hielden met het gewicht, we ontdekten dat we dit in feite doen voor 1/20ste van het gewicht van koperdraad, ' zei Bengio.

"Toepassingen voor dit materiaal zijn een groot verkoopargument, maar vanuit een wetenschappelijk perspectief, bij deze frequenties gedragen macromaterialen van koolstof nanobuisjes zich als een typische geleider, " zei hij. Zelfs vezels die als "matig geleidend" worden beschouwd, vertoonden superieure prestaties, zei hij. Hoewel fabrikanten gewoon dunnere koperdraden kunnen gebruiken in plaats van de 30-gauge draden die ze momenteel gebruiken, die draden zouden erg kwetsbaar en moeilijk te hanteren zijn, zei Pasquali.

"Amram liet zien dat als je drie dingen goed doet - de juiste vezels maken, fabriceer de antenne correct en ontwerp de antenne volgens telecommunicatieprotocollen - dan krijg je antennes die prima werken, " zei hij. "Als je naar zeer dunne antennes gaat bij hoge frequenties, je hebt minder nadeel ten opzichte van koper omdat koper moeilijk hanteerbaar wordt bij dunne diktes, overwegende dat nanobuisjes, met hun textielachtige gedrag, redelijk goed vol te houden."