Les antennes de pulvérisation de Drexel pourraient être le connecteur technologique du futur

21 septembre 2018

 

La promesse des vêtements, des tissus fonctionnels, de l'Internet des objets et de leur cohorte technologique «nouvelle génération» semble à portée de main. Mais les chercheurs dans le domaine vous diront que l'une des principales raisons de leur «arrivée» retardée est le problème de l'intégration transparente de la technologie de connexion - à savoir les antennes - avec des «choses» flexibles et changeantes.

Mais une percée des chercheurs du Collège d'ingénierie de Drexel pourrait désormais rendre l'installation d'une antenne aussi simple que l'application d'un insectifuge.

Dans une recherche récemment publiée dans Science Advances , le groupe décrit une méthode de pulvérisation d'antennes de manière invisible, fabriquées à partir d'un type de matériau métallique bidimensionnel appelé MXene, qui fonctionnent aussi bien que celles utilisées dans les appareils mobiles, les routeurs sans fil et transducteurs. 

«C'est une découverte très intéressante car il y a beaucoup de potentiel pour ce type de technologie», a déclaré Kapil Dandekar, PhD , professeur de génie électrique et informatique au College of Engineering, qui dirige le Drexel Wireless Systems Lab , et a été un co-auteur de la recherche. «La possibilité de pulvériser une antenne sur un substrat flexible ou de la rendre optiquement transparente signifie que nous pourrions avoir beaucoup de nouveaux endroits pour mettre en place des réseaux - il existe de nouvelles applications et de nouvelles façons de collecter des données que nous ne pouvons même pas imaginer à la moment."

Les antennes MXene appliquées par pulvérisation pourraient ouvrir la porte à de nouvelles applications dans les technologies intelligentes, les appareils portables et les appareils IoT.

 

Les chercheurs, du Département de science et de génie des matériaux du Collège, rapportent que le carbure de titane MXene peut être dissous dans l'eau pour créer une encre ou une peinture. La conductivité exceptionnelle du matériau lui permet de transmettre et de diriger des ondes radio, même lorsqu'il est appliqué dans un revêtement très fin.

« Nous avons constaté que les antennes transparentes même avec des épaisseurs de dizaines de nanomètres ont été en mesure de communiquer efficacement », a déclaré l' Asie Sarycheva , candidate au doctorat à l' Institut AJ Drexel Nanomatériaux et science des matériaux et de génie . «En augmentant l'épaisseur jusqu'à 8 microns, les performances de l'antenne MXene ont atteint 98% de sa valeur maximale prévue.»

Préserver la qualité de transmission sous une forme aussi fine est important car cela permettrait aux antennes d'être facilement intégrées - littéralement, pulvérisées - dans une grande variété d'objets et de surfaces sans ajouter de poids ou de circuits supplémentaires ou nécessitant un certain niveau de rigidité.

Des chercheurs du College of Engineering ont développé et testé des antennes par pulvérisation fabriquées à partir d'un type de matériau bidimensionnel appelé MXene.

 

«Cette technologie pourrait permettre une intégration vraiment transparente des antennes avec les objets du quotidien, ce qui sera essentiel pour le nouvel Internet des objets», a déclaré Dandekar. «Les chercheurs ont beaucoup travaillé avec des matériaux non traditionnels pour essayer de déterminer où la technologie de fabrication répond aux besoins du système, mais cette technologie pourrait nous permettre de répondre beaucoup plus facilement à certaines des questions difficiles sur lesquelles nous travaillons depuis des années.»

Les premiers tests des antennes projetées suggèrent qu'elles peuvent fonctionner avec la même gamme de qualité que les antennes actuelles, qui sont fabriquées à partir de métaux familiers, comme l'or, l'argent, le cuivre et l'aluminium, mais sont beaucoup plus épaisses que les antennes MXene. Rendre les antennes plus petites et plus légères a longtemps été un objectif des scientifiques des matériaux et des ingénieurs électriciens, cette découverte est donc un pas en avant considérable en termes de réduction de leur empreinte et d'élargissement de leur application.

«Les méthodes de fabrication actuelles des métaux ne peuvent pas rendre les antennes suffisamment minces et applicables à n'importe quelle surface, malgré des décennies de recherche et développement pour améliorer les performances des antennes métalliques», a déclaré Yury Gogotsi, PhD ,Distinguished University et professeur Bach de science des matériaux et d'ingénierie au College of Engineering, et directeur de l'Institut AJ Drexel des nanomatériaux, qui a lancé et dirigé le projet. «Nous recherchions des nanomatériaux bidimensionnels, qui ont une épaisseur de feuille environ cent mille fois plus fine qu'un cheveu humain; juste quelques atomes à travers, et peut s'auto-assembler en films conducteurs lors du dépôt sur n'importe quelle surface. Par conséquent, nous avons choisi MXene, un matériau en carbure de titane bidimensionnel, plus résistant que les métaux et métalliquement conducteur, comme candidat pour des antennes ultra-minces.

Les chercheurs de Drexel ont découvert la famille des matériaux MXene en 2011 et ont depuis compris leurs propriétés et envisagent leurs applications possibles. Le matériau bidimensionnel en couches, fabriqué par traitement chimique par voie humide, a déjà montré un potentiel dans les dispositifs de stockage d'énergie , le blindage électromagnétique , la filtration de l'eau, la détection chimique , le renforcement structurel et la séparation des gaz .

Les antennes MXene d'une minceur invisible peuvent être appliquées à une variété de substrats et fonctionnent mieux que les matériaux d'antenne actuellement utilisés dans les appareils mobiles.

 

Naturellement, les matériaux MXene ont établi des comparaisons avec des matériaux bidimensionnels prometteurs comme le graphène, qui a remporté le prix Nobel en 2010 et a été exploré comme matériau pour les antennes imprimables. Dans l'article, les chercheurs de Drexel ont confronté les antennes de pulvérisation à une variété d'antennes fabriquées à partir de ces nouveaux matériaux, notamment du graphène, de l'encre d'argent et des nanotubes de carbone. Les antennes MXene étaient 50 fois meilleures que le graphène et 300 fois meilleures que les antennes à encre argentée en termes de préservation de la qualité de la transmission des ondes radio.

«L'antenne MXene a non seulement surpassé le monde macro et micro des antennes métalliques, mais nous sommes allés au-delà des performances des antennes nanomatériales disponibles, tout en maintenant l'épaisseur de l'antenne très faible», a déclaré Babak Anasori, PhD , professeur assistant de recherche à l'Institut AJ Drexel Nanomaterials. . «L'antenne la plus fine mesurait 62 nanomètres - environ mille fois plus qu'une feuille de papier - et elle était presque transparente. Contrairement à d'autres méthodes de fabrication de nanomatériaux, qui nécessitent des additifs, appelés liants, et des étapes supplémentaires de chauffage pour fritter les nanoparticules ensemble, nous avons fabriqué des antennes en une seule étape en pulvérisant à l'aérographe notre encre MXene à base d'eau.

Le groupe a d'abord testé l'application par pulvérisation de l'encre d'antenne sur un substrat rugueux - du papier cellulose - et un support lisse - des feuilles de polyéthylène téréphtalate - la prochaine étape de leur travail consistera à rechercher les meilleures façons de l'appliquer à une grande variété. des surfaces du verre au fil et à la peau.

«Des recherches supplémentaires sur l'utilisation de matériaux de la famille MXene dans la communication sans fil pourraient permettre une électronique totalement transparente et des dispositifs portables grandement améliorés qui prendront en charge les modes de vie actifs que nous vivons», a déclaré Anasori.

 

Cette recherche a été partiellement soutenue par la National Science Foundation. Lisez l'étude complète ici: http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaau0920