噴塗超薄天線：為物聯網與可穿戴技術帶來新機遇！

導讀

近日，美國德雷塞爾大學工學院的研究人員的一項最新研究突破，使得安裝天線簡單得如同噴殺蟲水一樣。

背景

如今，可穿戴設備、功能性面料、物聯網及其「下一代」技術隊列，給人以觸手可及的希望。

從汗水中提取能量的新型柔性燃料電池（圖片來源：加州大學聖地亞哥分校）

具有通信功能的柔性且可洗的織物（圖片來源：麻省理工學院）

電子粘貼物讓更多物體實現物聯網（圖片來源：普渡大學 / Chi Hwan Lee）

可是，這些技術的普及卻有點「姍姍來遲」。這些領域的研究人員卻告訴我們，這主要是由於，通過可變形且柔性的「物」無縫地集成連接技術所帶來的問題。換句話說，這種連接技術也就是「天線」。

由石墨烯製成的柔性NFC天線（圖片來源: Graphene Flagship）

創新

然而，美國德雷塞爾大學工學院的研究人員的一項最新研究突破，使得安裝天線簡單得如同噴殺蟲水一樣。

（圖片來源: 德雷塞爾大學）

在一篇近期發表在《科學進展（ Science Advances）》期刊上的論文中，研究人員報告了一種「無形地」噴塗超薄天線的方法，這種天線由一種稱為「MXene」的二維金屬材料製成。這種天線的性能堪比移動設備、無線路由器以及攜帶型換能器中使用的天線。

技術

該校工學院材料科學與工程系的研究人員們報告，碳化鈦（MXene）可溶解於水，從而製造出墨水或塗料。這種材料傑出的導電性使之能傳輸並引導無線電波，甚至應用於超薄塗層。

（圖片來源: 德雷塞爾大學）

德雷塞爾納米材料研究所、材料科學與工程系的博士研究生 Asia Sarycheva 表示：「我們發現，幾十納米厚的透明天線也能有效地通信。將厚度增至8微米， MXene 天線的性能可達到預測的最大值的98%。」

在如此薄的形狀下保持傳輸質量，意義非常重大。因為，它使得天線可輕易地嵌入甚至噴塗到一系列物體和表面上，而無需增加額外的重量或電路，也無需一定程度的剛性。

這種噴塗天線的初始測試表明，它們質量與現有天線一樣。現有的天線由我們所熟悉的材料，例如金、銀、銅與鋁組成，但是它們比 MXene 天線要厚得多。讓天線變得更小更輕，一直是材料科學家與電氣工程們的目標，所以這一發現是朝著減少空間以及拓展應用的目標邁出的相當大的一步。

工學院材料科學與工程系教授、德雷塞爾納米材料研究所主任、該項目的發起者與領導者 Yury Gogotsi 表示：「儘管為了提升金屬天線的性能，科學家們進行了幾十年的研發。然而，現有的金屬製造方法，無法使天線變得足夠薄以及應用於任何錶面。我們一直在尋找厚度為人類頭髮絲成百千分之一的二維納米材料，只有幾個原子的寬度，並可自組裝到任何錶面上沉積的導電薄膜中。因此，我們選擇了 MXene 作為超薄天線的一種候選材料，它是一種二維的碳化鈦材料，比金屬強度更高，而且是金屬導電的。 」

（圖片來源: 德雷塞爾大學）

2011年，德雷塞爾大學的研究人員於發現了 MXene 材料家族，並一直嘗試理解它們的特性，從那時起就在研究它們可能的應用。這種分層的二維材料，通過濕法化學加工製作，已經在能量存儲設備、電磁屏蔽、水過濾、化學感知、結構加固以及氣體分離等領域中展示出巨大的潛力。

MXene 材料可以媲美非常有前景的二維材料，例如石墨烯，石墨烯曾在2010年獲得諾貝爾獎，並作為可印刷天線的材料來開發。在論文中，德雷塞爾大學的研究人員將噴塗的天線與石墨烯、銀系油墨和碳納米管等各種新材料製成的天線進行對比。在保持無線電波傳輸質量方面，MXene 天線勝過石墨烯天線50倍，勝過銀系油墨天線300倍。

價值

德雷塞爾大學無線系統實驗室主任、工學院電氣與計算機工程系教授、論文合著者之一的 Kapil Dandekar 博士表示：「這是一項非常令人振奮的發現，因為這種技術潛力巨大。能在柔性基底上噴塗這種天線，以及讓它變得光學透明，意味著我們可以在許多新地方建立網路。新應用以及採集數據的新方法，甚至是我們目前無法想像的。」

Kapil Dandekar 博士還表示：「這項技術能真正將天線無縫地集成到日常物品上，這些物品對於新興的物聯網來說至關重要。研究人員已經通過非傳統材料做了許多工作，以嘗試搞清楚製造技術在哪裡可以滿足系統需求，但是這項技術使得回答我們已為之工作多年的一些困難問題變得容易得多。」

德雷塞爾納米材料研究所助理研究教授 Babak Anasori 博士表示：「MXene 天線不僅勝過了宏觀與微觀世界的金屬天線，而且性能超越了現有的納米材料天線，將天線的厚度保持得非常低。最薄的天線厚度只有62納米，不足一張紙厚度的千分之一，且幾乎是透明的。不同於其他需要添加劑即所謂的『粘合劑』和額外加熱步驟來將納米顆粒燒結到一起的納米材料製造方法，我們通過噴槍噴塗水基 MXene 油墨，只需單步就能製造出天線。」

Anasori 博士還表示：「 在無線通信領域，採用 MXene 家族材料進行更進一步的研究，將帶來完全透明的電子器件，並極大地提升可穿戴設備的性能，這些設備將有利於我們生活在積極的生活方式中。」

未來

研究小組一開始在粗糙不平的基底（纖維素紙）以及一種平滑的基底（聚對苯二甲酸乙二醇酯）測試了天線油墨的噴塗應用。下一步，他們將尋找最佳的方案將它應用到各種表面上，從玻璃到紗線以及皮膚。

關鍵字

天線、柔性電子、二維材料、物聯網、通信

參考資料

【1】https://drexel.edu/now/archive/2018/September/MXene-spray-antennas/

【2】Asia Sarycheva, Alessia Polemi, Yuqiao Liu, Kapil Dandekar, Babak Anasori, Yury Gogotsi. 2D titanium carbide (MXene) for wireless communication. Science Advances, 2018; 4 (9): eaau0920 DOI: 10.1126/sciadv.aau0920

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