La promessa degli indossabili, tessuti funzionali, l'Internet delle cose, e la loro coorte tecnologica di "prossima generazione" sembra allettante a portata di mano. Ma i ricercatori del settore ti diranno che una delle ragioni principali del loro "arrivo" ritardato è il problema dell'integrazione perfetta della tecnologia di connessione, vale a dire, antenne, con "cose" flessibili e mutanti.

Ma una svolta dei ricercatori del College of Engineering di Drexel, ora potrebbe rendere l'installazione di un'antenna facile come applicare uno spray per insetti.

In una ricerca recentemente pubblicata su Progressi scientifici , il gruppo riferisce di un metodo per spruzzare antenne invisibilmente sottili, fatto da un tipo di bidimensionale, materiale metallico chiamato MXene, che funzionano oltre a quelli utilizzati nei dispositivi mobili, router wireless e trasduttori portatili.

"Questa è una scoperta molto eccitante perché c'è molto potenziale per questo tipo di tecnologia, " disse Kapil Dandekar, dottorato di ricerca, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Facoltà di Ingegneria, che dirige il Drexel Wireless Systems Lab, ed è stato coautore della ricerca. "La capacità di spruzzare un'antenna su un substrato flessibile o renderla otticamente trasparente significa che potremmo avere molti nuovi posti per configurare le reti:ci sono nuove applicazioni e nuovi modi di raccogliere dati che non possiamo nemmeno immaginare al momento. momento."

I ricercatori, dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del College, riferiscono che il carburo di titanio MXene può essere sciolto in acqua per creare un inchiostro o una vernice. L'eccezionale conduttività del materiale gli consente di trasmettere e dirigere onde radio, anche quando viene applicato in uno strato molto sottile.

"Abbiamo scoperto che anche antenne trasparenti con spessori di decine di nanometri erano in grado di comunicare in modo efficiente, " disse Asia Sarycheva, un dottorando in A.J. Drexel Nanomaterials Institute e Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Aumentando lo spessore fino a 8 micron, le prestazioni dell'antenna MXene hanno raggiunto il 98 percento del valore massimo previsto."

Preservare la qualità di trasmissione in una forma così sottile è significativo perché consentirebbe di incorporare facilmente le antenne, letteralmente, spruzzato su un'ampia varietà di oggetti e superfici senza aggiungere peso o circuiti aggiuntivi o richiedere un certo livello di rigidità.

"Questa tecnologia potrebbe consentire l'integrazione davvero perfetta delle antenne con gli oggetti di uso quotidiano che saranno fondamentali per l'emergente Internet of Things, " Ha detto Dandekar. "I ricercatori hanno lavorato molto con materiali non tradizionali cercando di capire dove la tecnologia di produzione soddisfa le esigenze del sistema, ma questa tecnologia potrebbe rendere molto più semplice rispondere ad alcune delle difficili domande su cui lavoriamo da anni".

I test iniziali delle antenne spruzzate suggeriscono che possono funzionare con la stessa gamma di qualità delle antenne attuali, che sono fatti di metalli familiari, come l'oro, d'argento, rame e alluminio, ma sono molto più spesse delle antenne MXene. Rendere le antenne più piccole e leggere è stato a lungo un obiettivo degli scienziati dei materiali e degli ingegneri elettrici, quindi questa scoperta è un notevole passo avanti sia in termini di riduzione del loro ingombro che di ampliamento della loro applicazione.

"Gli attuali metodi di fabbricazione dei metalli non possono rendere le antenne sufficientemente sottili e applicabili a qualsiasi superficie, nonostante decenni di ricerca e sviluppo per migliorare le prestazioni delle antenne metalliche, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach of Materials Science and Engineering presso il College of Engineering, e Direttore dell'A.J. Istituto di nanomateriali Drexel, che ha avviato e guidato il progetto. "Cercavamo nanomateriali bidimensionali, che hanno uno spessore del foglio circa centomila volte più sottile di un capello umano; solo pochi atomi di diametro, e può autoassemblarsi in film conduttivi previa deposizione su qualsiasi superficie. Perciò, abbiamo selezionato MXene, che è un materiale bidimensionale in carburo di titanio, che è più forte dei metalli ed è metallicamente conduttivo, come candidato per antenne ultrasottili."

I ricercatori Drexel hanno scoperto la famiglia di materiali MXene nel 2011 e hanno acquisito una comprensione delle loro proprietà, e considerando le loro possibili applicazioni, da allora. Il materiale bidimensionale stratificato, che è fatto da trattamento chimico umido, ha già mostrato potenzialità nei dispositivi di accumulo di energia, schermatura elettromagnetica, filtrazione dell'acqua, rilevamento chimico, rinforzo strutturale e separazione dei gas.

Naturalmente i materiali MXene hanno fatto confronti con promettenti materiali bidimensionali come il grafene, che ha vinto il Premio Nobel nel 2010 ed è stato esplorato come materiale per antenne stampabili. Nella carta, i ricercatori Drexel hanno messo le antenne spray su una varietà di antenne realizzate con questi nuovi materiali, compreso il grafene, inchiostro d'argento e nanotubi di carbonio. Le antenne MXene erano 50 volte migliori del grafene e 300 volte migliori delle antenne con inchiostro d'argento in termini di conservazione della qualità della trasmissione delle onde radio.

"L'antenna MXene non solo ha superato il mondo macro e micro delle antenne metalliche, siamo andati oltre le prestazioni delle antenne in nanomateriali disponibili, mantenendo lo spessore dell'antenna molto contenuto, " disse Babak Anasori, dottorato di ricerca, un professore assistente di ricerca in A.J. Istituto di nanomateriali Drexel. "L'antenna più sottile era sottile fino a 62 nanometri, circa mille volte più sottile di un foglio di carta, ed era quasi trasparente. A differenza di altri metodi di fabbricazione di nanomateriali, che richiede additivi, chiamati leganti, e ulteriori passaggi di riscaldamento per sinterizzare le nanoparticelle insieme, abbiamo realizzato le antenne in un solo passaggio spruzzando con l'aerografo il nostro inchiostro MXene a base d'acqua."

Il gruppo ha inizialmente testato l'applicazione a spruzzo dell'inchiostro dell'antenna su un substrato ruvido - carta di cellulosa - e uno liscio - fogli di polietilene tereftalato - il prossimo passo per il loro lavoro sarà cercare i modi migliori per applicarlo a un'ampia varietà di superfici dal vetro al filato e alla pelle.

"Ulteriori ricerche sull'utilizzo di materiali della famiglia MXene nella comunicazione wireless possono consentire un'elettronica completamente trasparente e dispositivi indossabili notevolmente migliorati che supporteranno gli stili di vita attivi che stiamo vivendo, " ha detto Anasori.