新型噴塗天線將開啟智能連接技術

美國德雷塞爾大學工程學院的研究人員已經開發出一種方法，利用一種稱為MXene的二維材料「噴漆」實現隱藏起來的薄天線。天線的性能比目前在移動設備和RFID標籤中使用的天線還要好。圖片來源：德雷塞爾大學。

可穿戴、功能織物、物聯網、以及它們的「下一代」技術的實現似乎遙不可及。但是該領域的研究人員會告訴你們，他們之所以難以「到達」的主要原因是連接技術—即天線—與形狀移動和靈活的「東西」無縫集成的問題。

但德雷克塞爾工程學院的研究人員的突破，現在可以安裝一個天線，就像噴洒一些殺蟲劑一樣簡單。

在最近發表在《科學進展Science Advances》雜誌上的研究中，該小組報告了一種噴塗技術，由二維金屬材料MXene製成的無形薄天線的方法，這種材料性能良好，與移動設備、無線路由器和攜帶型換能器中採用的一樣。

「這是一個非常令人興奮的發現，因為這種類型的技術有很大的潛力，」工程學院電氣和計算機工程學教授Kapil Dandekar博士說，他是Drexel無線系統實驗室的主任，也是這項研究的合著者。「在柔性襯底上噴塗天線或使其成為光學透明的能力，意味著我們可以有很多新的地方來建立網路，有新的應用和新的收集數據的方法，我們現在甚至無法想像。」

來自學院材料科學與工程系的研究人員報告說，MXene碳化鈦可以溶解在水中形成墨水或油漆。這種材料的特殊導電性使它能夠發射和引導無線電波，即使它被塗在非常薄的塗層中。

「我們發現，即使是厚度為幾十納米的透明天線也能夠有效地通信，」 Asia Sarycheva說，他是納米材料研究所和材料科學與工程系的博士候選人。「通過增加材料的厚度達到8微米時，MxEN天線的性能達到其預測最大值的98%。」

以如此薄的形式保持傳輸質量是重要的，因為它將允許天線容易地嵌入字面上，噴塗在各種各樣的物體和表面上，而不增加額外的重量或電路或一定程度剛性的要求。

如上圖所示，使用由Dexele開發的一種叫做MxEne的二維材料製成的導電油墨，研究人員可以在各種表面上噴漆天線。這一發現有助於解開智能技術的潛力，拓展物聯網。信用：德雷塞爾大學。

Dandekar說：「這項技術能夠使天線與日常物品真正無縫集成，這對於新興的物聯網至關重要。研究人員用非傳統材料做了大量工作，試圖找出製造技術滿足系統需求的地方，但是這種技術可以使我們更容易地回答一些我們多年來一直在研究的難題。」

對噴塗天線的初步測試表明，它們可以以與電流天線相同的質量範圍進行工作，電流天線由常見的金屬製成，如金、銀、銅和鋁，但比MXene天線厚得多。長期以來，使天線更小更輕一直是材料科學家和電氣工程師的目標，因此，這一發現在減少天線所佔面積以及擴大其應用方面都是向前邁出的一大步。

卓越大學材料科學與發動機學教授Yury Gogotsi博士說：「儘管經過幾十年的研究和開發以改善金屬天線的性能，但是目前的金屬製造方法不能使天線足夠薄，不能適用於任何錶面。」 他還是德雷克塞爾大學工程學院納米材料研究所所長，發起和領導該項目。「我們正在尋找一種二維納米材料，其片層厚度約為人頭髮還要薄十萬倍，只有幾個原子寬，並且可以在任何錶面上沉積時自組裝成導電薄膜。因此，我們選擇MXene作為超薄天線的候選材料，它是一種二維碳化鈦材料，它比金屬強，並且具有金屬導電性。」

德雷塞爾大學的研究人員在2011年發現了MXene材料家族，從那時起，他們一直在理解它們的特性，並考慮其可能的應用。採用濕化學方法製備的層狀二維材料已經在儲能裝置、電磁屏蔽、水過濾、化學感測、結構加固和氣體分離等方面顯示出潛力。

自然地，MXene材料已經與很有前途的二維材料如石墨烯進行了比較，石墨烯在2010年獲得了諾貝爾獎，並且已經被開發為可列印天線的材料。在本文中，德雷克塞爾研究人員將噴霧劑放置在天線上，以對抗由這些新材料製成的各種天線，包括石墨烯、銀墨水和碳納米管。在保持無線電波傳輸質量方面，MXene天線比石墨烯天線好50倍，比銀墨天線好300倍。

德雷塞爾大學納米材料研究所的研究助理教授Babak Anasori博士說：「MXene天線不僅在宏觀和微觀方面優於金屬天線，而且在保持天線厚度非常低的同時，我們超越了現有納米材料天線的性能。最薄的天線有62納米那麼薄，比一隻羊皮紙要薄上千倍，而且幾乎是透明的。不同於其他納米材料製造方法，需要添加劑，稱為粘合劑，以及額外的加熱步驟來將納米顆粒燒結在一起，我們通過噴槍噴塗水性MXene油墨，一步製造天線。」

該小組最初測試了噴墨在粗糙基材纖維素紙和光滑的聚對苯二甲酸乙二醇酯片材上的應用。下一步的工作將著眼於將其應用於從玻璃到紗線和皮膚的各種各樣的表面的最佳方法。

「進一步研究使用MXene家族的材料在無線通信中的潛在應用，可能實現完全透明的電子設備，並能大大改善可穿戴設備性能，將進一步積極改變我們所處的生活方式。」Anasori表示。

來源：https://phys.org/news/2018-09-spray-on-antennas-potential-smart-technology.html

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