De belofte van wearables, functionele stoffen, het internet der dingen, en hun 'next-generation' technologische cohort lijkt verleidelijk binnen handbereik. Maar onderzoekers in het veld zullen u vertellen dat een belangrijke reden voor hun vertraagde "aankomst" het probleem is van het naadloos integreren van verbindingstechnologie, namelijk, antennes - met vormveranderende en flexibele 'dingen'.

Maar een doorbraak door onderzoekers van Drexel's College of Engineering, kon het installeren van een antenne nu net zo eenvoudig maken als het aanbrengen van wat insectenspray.

In recent gepubliceerd onderzoek in wetenschappelijke vooruitgang , de groep rapporteert over een methode om onzichtbaar dunne antennes te spuiten, gemaakt van een soort tweedimensionale, metalen materiaal genaamd MXene, die even goed presteren als die worden gebruikt in mobiele apparaten, draadloze routers en draagbare transducers.

"Dit is een zeer opwindende bevinding omdat er veel potentieel is voor dit soort technologie, " zei Kapil Dandekar, doctoraat, een professor in Electrical and Computer Engineering aan het College of Engineering, die het Drexel Wireless Systems Lab leidt, en was co-auteur van het onderzoek. "De mogelijkheid om een ​​antenne op een flexibel substraat te spuiten of deze optisch transparant te maken, betekent dat we veel nieuwe plaatsen zouden kunnen hebben om netwerken op te zetten - er zijn nieuwe toepassingen en nieuwe manieren om gegevens te verzamelen die we ons op het moment niet eens kunnen voorstellen. moment."

De onderzoekers, van de afdeling Materials Science and Engineering van het College, melden dat het MXene titaniumcarbide kan worden opgelost in water om een ​​inkt of verf te maken. Door de uitzonderlijke geleidbaarheid van het materiaal kan het radiogolven uitzenden en richten, zelfs als het in een zeer dunne coating is aangebracht.

"We ontdekten dat zelfs transparante antennes met een dikte van tientallen nanometers efficiënt konden communiceren, " zei Asia Sarycheva, een promovendus in de A.J. Drexel Nanomaterials Institute en Materials Science and Engineering Department. "Door de dikte te vergroten tot 8 micron, de prestaties van de MXene-antenne bereikten 98 procent van de voorspelde maximale waarde."

Het behouden van de transmissiekwaliteit in een vorm die zo dun is, is belangrijk omdat antennes gemakkelijk kunnen worden ingebed - letterlijk, opgespoten - in een breed scala aan objecten en oppervlakken zonder extra gewicht of circuits toe te voegen of een bepaald niveau van stijfheid te vereisen.

"Deze technologie kan de echt naadloze integratie van antennes met alledaagse voorwerpen mogelijk maken, wat van cruciaal belang zal zijn voor het opkomende internet der dingen, "Zei Dandekar. "Onderzoekers hebben veel werk gedaan met niet-traditionele materialen om erachter te komen waar productietechnologie voldoet aan systeembehoeften, maar deze technologie zou het een stuk makkelijker kunnen maken om een ​​aantal van de moeilijke vragen te beantwoorden waar we al jaren aan werken."

Uit de eerste tests van de gespoten antennes blijkt dat ze met hetzelfde kwaliteitsbereik kunnen presteren als de huidige antennes, die zijn gemaakt van bekende metalen, zoals goud, zilver, koper en aluminium, maar zijn veel dikker dan MXene-antennes. Het kleiner en lichter maken van antennes is al lang een doel van materiaalwetenschappers en elektrotechnici, dus deze ontdekking is een grote stap voorwaarts, zowel wat betreft het verkleinen van hun voetafdruk als het verbreden van hun toepassing.

"De huidige fabricagemethoden van metalen kunnen antennes niet dun genoeg maken en toepasbaar op elk oppervlak, ondanks tientallen jaren van onderzoek en ontwikkeling om de prestaties van metalen antennes te verbeteren, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach hoogleraar Materials Science and Engineering aan het College of Engineering, en directeur van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut, die het project heeft geïnitieerd en geleid. "We waren op zoek naar tweedimensionale nanomaterialen, die een plaatdikte hebben die ongeveer honderdduizend keer dunner is dan een mensenhaar; slechts een paar atomen breed, en kan zichzelf assembleren tot geleidende films na afzetting op elk oppervlak. Daarom, we hebben MXene geselecteerd, wat een tweedimensionaal materiaal van titaniumcarbide is, dat sterker is dan metalen en metallisch geleidend is, als kandidaat voor ultradunne antennes."

Drexel-onderzoekers ontdekten de familie van MXene-materialen in 2011 en hebben inzicht gekregen in hun eigenschappen, en rekening houdend met hun mogelijke toepassingen, sindsdien. Het gelaagde tweedimensionale materiaal, die is gemaakt door natte chemische verwerking, heeft al potentieel getoond in apparaten voor energieopslag, elektromagnetische afscherming, water filtratie, chemische detectie, structurele wapening en gasscheiding.

Natuurlijk hebben MXene-materialen vergelijkingen getrokken met veelbelovende tweedimensionale materialen zoals grafeen, die in 2010 de Nobelprijs won en is onderzocht als materiaal voor afdrukbare antennes. In de krant, de Drexel-onderzoekers plaatsten de spray-on antennes tegen een verscheidenheid aan antennes gemaakt van deze nieuwe materialen, inclusief grafeen, zilveren inkt en koolstof nanobuisjes. De MXene-antennes waren 50 keer beter dan grafeen en 300 keer beter dan zilverinktantennes wat betreft het behoud van de kwaliteit van de radiogolftransmissie.

"De MXene-antenne presteerde niet alleen beter dan de macro- en microwereld van metalen antennes, we gingen verder dan de prestaties van beschikbare nanomateriaalantennes, terwijl de antennedikte zeer laag blijft, " zei Babak Anasori, doctoraat, een onderzoeksassistent-professor in A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut. "De dunste antenne was zo dun als 62 nanometer - ongeveer duizend keer dunner dan een vel papier - en hij was bijna transparant. In tegenstelling tot andere fabricagemethoden voor nanomaterialen, dat vereist toevoegingen, bindmiddelen genoemd, en extra verwarmingsstappen om de nanodeeltjes aan elkaar te sinteren, we hebben antennes in één stap gemaakt door onze MXene-inkt op waterbasis met een airbrush te spuiten."

De groep testte in eerste instantie de spray-on applicatie van de antenne-inkt op een ruw substraat - cellulosepapier - en een gladde ondergrond - polyethyleentereftalaatvellen - de volgende stap voor hun werk is kijken naar de beste manieren om het op een breed scala aan te brengen. van oppervlakken van glas tot garen en huid.

"Verder onderzoek naar het gebruik van materialen uit de MXene-familie in draadloze communicatie kan volledig transparante elektronica en sterk verbeterde draagbare apparaten mogelijk maken die de actieve levensstijl die we leven ondersteunen, ' zei Anasori.