15/10/2024
Door Ad Spijkers
Amerikaanse en Canadese onderzoekers gebruiken de oude papiervouwkunst om afstembare radioantennes te maken van MXene nanomaterialen.
De toekomst van draadloze technologie is afhankelijk van de antennes die elektromagnetische golven uitzenden. De toepassing gaat van het opladen van apparaten tot het versterken van communicatiesignalen. Gezien het toenemend gebruik moeten de benodigde antennes steeds veelzijdiger, duurzamer en gemakkelijker te produceren worden.
Volgens onderzoekers van Drexel University in Philadelphia en de University of British Columbia in Vancouver zou kirigami een model zou kunnen bieden voor de productie van de volgende generatie antennes. De variant op origami is de oude Japanse kunst van het knippen en vouwen van papier om ingewikkelde driedimensionale ontwerpen te maken.
Kirigami
Onderzoek van het team toonde aan hoe kirigami een enkel vel acetaat gecoat met geleidende MXene-inkt kan transformeren in een flexibele 3D-microgolfantenne. De transmissiefrequentie kan eenvoudig worden aangepast door te trekken of knijpen om de vorm enigszins te veranderen. Het concept vertegenwoordigt een nieuwe manier om snel en economisch een antenne te produceren door waterige MXene-inkt op een helder elastisch polymeer substraatmateriaal te coaten.
Om draadloze technologie te laten bijdragen aan vooruitgang in velden als zachte robotica en lucht- en ruimtevaart, moeten gemakkelijk te produceren antennes worden ontworpen voor instelbare prestaties. Kirigami is een natuurlijk model voor een productieproces, vanwege de eenvoud waarmee complexe 3D-vormen kunnen worden gecreëerd uit 2D materiaal.
Standaard microgolfantennes kunnen elektronisch worden geherconfigureerd of door hun fysieke vorm te veranderen. Het toevoegen van de benodigde schakelingen om een antenne elektronisch te besturen, kan de complexiteit ervan vergroten. Dit maakt de antenne omvangrijker, kwetsbaarder voor storingen en duurder om te produceren. Het nu ontwikkelde proces maakt gebruik van fysieke vormverandering en kan het antennes in verschillende ingewikkelde vormen en maten creëren. Deze antennes zijn flexibel, lichtgewicht en duurzaam, wat cruciale factoren zijn voor hun overlevingsvermogen op bewegende robotica- en ruimtevaartcomponenten.
MXene
Om de testantennes te maken, bedekten de onderzoekers eerst een vel acetaat met een speciale geleidende inkt om frequentieselectieve patronen te creëren. De inkt is samengesteld uit een titaniumcarbide (TiC). De chemische samenstelling van deze MXene-inkt maakt het mogelijk om sterk te hechten aan het substraat voor een duurzame antenne. De formule kan worden aangepast om de transmissiespecificaties van de antenne opnieuw te configureren.
MXenes zijn een familie van tweedimensionale nanomaterialen. De fysieke en elektrochemische eigenschappen kunnen worden aangepast door hun chemische samenstelling enigszins te wijzigen. De materialen zijn de afgelopen tien jaar gebruikt voor toepassingen die materialen vereisen met nauwkeurig fysicochemisch gedrag, zoals elektromagnetische afscherming, biofiltratie en energieopslag. Ze worden ook al jaren onderzocht voor telecommunicatietoepassingen gezien hun efficiëntie bij het verzenden van radiogolven en hun vermogen om te worden aangepast om elektromagnetische golven selectief te blokkeren en door te laten.
Testen
Met behulp van kirigami-technieken maakten de onderzoekers een reeks parallelle sneden in het met MXene gecoate oppervlak. Door aan de randen van het vel te trekken, werd een reeks vierkante resonatorantennes geactiveerd die van het tweedimensionale oppervlak afsprongen. Door de spanning te variëren, verschoof de hoek van de reeks. Deze mogelijkheid kon worden ingezet om de communicatieconfiguratie van de antennes snel aan te passen.
De onderzoekers stelden twee kirigami-antennereeksen samen om te testen. Ze maakten ook een prototype van een coplanaire resonator om de veelzijdigheid van de aanpak te demonstreren.Een resonator wordt gebruikt in sensoren en dat van nature golven van een bepaalde frequentie produceert. Behalve voor communicatietoepassingen zouden resonatoren en herconfigureerbare antennes ook kunnen worden gebruikt voor spanningsdetectie.
Frequentie-selectieve oppervlakken, zoals deze antennes verzenden, reflecteren of absorberen selectief elektromagnetische golven op specifieke frequenties. Ze hebben actieve en/of passieve structuren en worden vaak gebruikt in toepassingen zoals antennes, radomes en reflectoren om de voortplantingsrichting van golven te regelen in draadloze communicatie op 5G- en hogere platforms.
De kirigami-antennes bleken effectief bij het verzenden van signalen in drie veelgebruikte microgolffrequentiebanden: 2-4 GHz, 4-8 GHz en 8-12 GHz. Bovendien ontdekte het team dat het verschuiven van de geometrie en richting van het substraat de golven van elke resonator kon omleiden. De frequentie die door de resonator werd geproduceerd, verschoof met 400 MHz toen de vorm ervan werd vervormd onder rekomstandigheden, wat aantoont dat het effectief kan functioneren als een reksensor voor het bewaken van de staat van infrastructuur en gebouwen.
Vervolg
Volgens het team zijn deze bevindingen de eerste stap naar het integreren van de componenten op relevante structuren en draadloze apparaten. Met de talloze vormen van kirigami als inspiratiebron, zal het team nu proberen de prestaties van de antennes te optimaliseren door nieuwe vormen, substraten en bewegingen te verkennen.
Hun doel was om tegelijkertijd de aanpasbaarheid van de antenneprestaties te verbeteren en een eenvoudig productieproces voor nieuwe microgolfcomponenten te creëren. Dit deden ze door een veelzijdig MXene-nanomateriaal te integreren met door kirigami geïnspireerde ontwerpen. De volgende fase van dit onderzoek zal nieuwe materialen en geometrieën voor de antennes bestuderen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Drexel University