Lo studente laureato della Rice University Amram Bengio installa un'antenna in fibra di nanotubi per i test. Gli scienziati della Rice e del National Institute of Standards and Technology hanno determinato che le fibre di nanotubi prodotte alla Rice possono essere buone quanto le antenne di rame ma 20 volte più leggere. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Le fibre fatte di nanotubi di carbonio configurate come antenne wireless possono essere buone quanto le antenne in rame ma 20 volte più leggere, secondo i ricercatori della Rice University. Le antenne possono offrire vantaggi pratici per le applicazioni aerospaziali e l'elettronica indossabile in cui peso e flessibilità sono fattori importanti.
La ricerca appare in Lettere di fisica applicata .
La scoperta offre più potenziali applicazioni per i forti, fibre di nanotubi leggere sviluppate dal laboratorio Rice del chimico e ingegnere chimico Matteo Pasquali. Il laboratorio ha introdotto il primo metodo pratico per realizzare fibre di nanotubi di carbonio ad alta conduttività nel 2013 e da allora le ha testate per l'uso come impianti cerebrali e negli interventi chirurgici al cuore, tra le altre applicazioni.
La ricerca potrebbe aiutare gli ingegneri che cercano di ottimizzare i materiali per aeroplani e veicoli spaziali in cui il peso è uguale al costo. L'aumento dell'interesse per i dispositivi indossabili come i monitor sanitari da polso e l'abbigliamento con elettronica incorporata potrebbe beneficiare di un forte, antenne in fibra flessibile e conduttiva che inviano e ricevono segnali, ha detto Pasquali.
Il team Rice e i colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato una metrica che hanno chiamato "efficienza di radiazione specifica" per giudicare quanto bene le fibre di nanotubi irradiassero segnali alle comuni frequenze di comunicazione wireless di 1 e 2,4 gigahertz e hanno confrontato i loro risultati con antenne standard in rame. Hanno realizzato un filo composto da otto a 128 fibre sottili quanto un capello umano e tagliato alla stessa lunghezza per testarlo su un impianto personalizzato che ha reso pratici i confronti diretti con il rame.
Lo studente laureato della Rice University Amram Bengio prepara un campione di antenna in fibra di nanotubi per la valutazione. Le fibre dovevano essere isolate in supporti di polistirolo per assicurare confronti accurati tra loro e con il rame. Le fibre di riso fatte solo di nanotubi di carbonio possono essere antenne pratiche per applicazioni aerospaziali ed elettronica indossabile. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Le antenne in genere hanno una forma specifica, e devi progettarli con molta attenzione, ", ha detto lo studente laureato alla Rice Amram Bengio, l'autore principale del documento. "Una volta che sono in quella forma, vuoi che rimangano così. Quindi una delle prime sfide sperimentali è stata quella di far rimanere il nostro materiale flessibile".
Contrariamente ai risultati precedenti di altri laboratori (che utilizzavano diverse fonti di fibre di nanotubi di carbonio), i ricercatori della Rice hanno scoperto che le antenne in fibra corrispondevano al rame per l'efficienza delle radiazioni alle stesse frequenze e diametri. I loro risultati supportano teorie secondo cui le prestazioni delle antenne a nanotubi sarebbero scalate con la densità e la conduttività della fibra.
"Non solo abbiamo scoperto di ottenere le stesse prestazioni del rame per lo stesso diametro e area della sezione trasversale, ma una volta preso in considerazione il peso, abbiamo scoperto che in pratica lo stiamo facendo per 1/20 del peso del filo di rame, " disse Bengio.
"Le applicazioni per questo materiale sono un grande punto di forza, ma da un punto di vista scientifico, a queste frequenze i macromateriali di nanotubi di carbonio si comportano come un tipico conduttore, " ha detto. Anche le fibre considerate "moderatamente conduttive" hanno mostrato prestazioni superiori, ha detto. Anche se i produttori potrebbero semplicemente usare fili di rame più sottili invece dei fili da 30 gauge che usano attualmente, quei fili sarebbero molto fragili e difficili da maneggiare, ha detto Pasquali.
"Amram ha mostrato che se fai tre cose nel modo giusto:fai le fibre giuste, fabbrica l'antenna correttamente e progetta l'antenna secondo i protocolli di telecomunicazione, quindi ottieni antenne che funzionano bene, " ha detto. "Come si passa ad antenne molto sottili ad alte frequenze, si ottiene uno svantaggio minore rispetto al rame perché il rame diventa difficile da maneggiare a spessori sottili, considerando che i nanotubi, con il loro comportamento simile al tessuto, reggere abbastanza bene."
