We denken er misschien niet veel over na, maar antennes zijn overal. In onze telefoons, in onze auto's, in de antidiefstallabels op de kleding die we kopen, en naarmate het internet der dingen steeds actueler wordt, verschijnen ze op nieuwe plaatsen, zoals magnetrons en lampen. Ingenieurs zijn daarom op zoek geweest naar methoden om antennes kleiner, lichter en gemakkelijker te gebruiken te maken.
Nu hebben onderzoekers van Drexel University een methode ontwikkeld voor het maken van bijna onzichtbare antennes op vrijwel elk oppervlak door ze letterlijk op dezelfde verf te spuiten. De antennes zijn gemaakt van een speciaal tweedimensionaal metaalachtig materiaal genaamd MXene. MXene-poeder kan worden opgelost in water om een verf te maken die vervolgens wordt geapenseeld. In tests kon zelfs een laag zo dun als slechts 62 nanometer - duizenden keren dunner dan een vel papier - effectief communiceren. De prestaties bereikten een maximale prestatie van slechts 8 micron, een punt waarop de spray-on antennes net zo goed werkten als die momenteel worden gebruikt in mobiele apparaten en draadloze routers.
De antennes zijn zo dun dat ze kunnen worden opgespoten zonder gewicht of bulk toe te voegen, zelfs op kleine apparaten zoals medische sensoren. En ze zijn ook flexibel, wat betekent dat ze op niet-vlakke oppervlakken kunnen worden gebruikt, zoals gordijnen. De onderzoekers zeggen dat de antennes kunnen zorgen voor enorme verbeteringen in draadloze apparaten en het Internet of Things, vooral als het gaat om wearables - je kunt zelfs een antenne op je sokken spuiten om ze bij te houden.
"Dit maakt echt draadloze communicatie mogelijk met elk item", zegt Yury Gogotsi, een professor in materiaalwetenschappen en engineering die het onderzoek leidde. "Dit kan echt een verschil maken, omdat we op weg zijn naar een wereld waarin alles met elkaar verbonden is."
Stelt u zich eens voor dat u onmiddellijk een antenne kunt toepassen op elk item dat u bezit en er een communicatie-apparaat van kunt maken. U kunt een antenne op de halsband van uw hond plaatsen om te voorkomen dat hij verdwaalt. Zet er een op je koelkast zodat deze kan communiceren met je telefoons. Leg ze op je tennisballen om de snelheid van je porties te volgen.
Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .
MXene, een tweedimensionaal titaniumcarbide-materiaal, werd in 2011 door Drexel-onderzoekers ontdekt en in 2015 gepatenteerd. Ultrasterk en geleidend, het is potentieel om te worden gebruikt in apparaten voor energieopslag, zoals batterijelektroden die telefoons in seconden kunnen opladen; het voorkomen van elektromagnetische interferentie tussen apparaten; detectie van gevaarlijke chemicaliën in de lucht, en meer. In de studie presteerden de MXene-antennes 50 keer beter dan die gemaakt van grafeen, het huidige "hete" nanomateriaal.
In tegenstelling tot andere nanomaterialen heeft MXene geen bindmiddelen of verhitting nodig om de nanodeeltjes aan elkaar te kleven. Het enige dat nodig is, is om met water te worden gemengd en met een airbrush te worden bespoten. De resulterende antennes kunnen zelfs werken op materialen die bewegen en buigen, zoals textiel, hoewel het de ontvangst kan beïnvloeden, ongeveer op dezelfde manier als het verplaatsen van de antenne op een oude tv.
Sproeien van antennes is 'een interessante benadering', zegt Josep Jornet, een professor in elektrotechniek aan de Universiteit van Buffalo, die werkt op communicatienetwerken en het Internet of Things.
Het meeste onderzoek naar dunne flexibele antennes omvatte het afdrukken, zegt Jornet. Maar spuiten kan sneller gaan.
Maar hoewel de antenneprestaties, zoals in de krant te zien zijn, "zeer goed zijn", zegt Jornet, "is een antenne op zichzelf niets anders dan een stuk metaal."
Om de antennes maximaal bruikbaar te maken, legt hij uit, zouden ze worden gecombineerd met soorten flexibele elektronica - denk aan rekbare telefoons of roll-up tablets - die nog niet bestaan. Dit is iets waar veel onderzoekers aan werken, maar het moet nog worden gerealiseerd.
Het Drexel-team testte de op te sproeien antennes op een ruw materiaal, cellulosepapier en een gladde, polyethyleentereftalaatplaten. Ze zijn nu van plan om het te testen op andere oppervlakken, waaronder glas, garen en huid - garenantennes kunnen verbonden textiel maken, terwijl huid toepassingen zou kunnen hebben voor diergeneeskunde of menselijke geneeskunde. Ze hopen samen te werken met investeerders of commerciële partners die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van producten die kunnen profiteren van de antennes.
Hoewel de antennes potentieel kunnen worden gebruikt voor wearables of gezondheidsmonitoren die rechtstreeks op de huid worden gespoten, raadt Gogotsi voorzichtigheid aan, omdat MXene weinig ervaring heeft met mensen.
"We zijn altijd een beetje bezig met nieuwe materialen, " zegt hij. “Is het biocompatibel? Zijn er langetermijngevolgen? Ik stel voor dat we moeten wachten voordat we het rechtstreeks op de huid aanbrengen. '
Het team onderzoekt ook hoe het materiaal kan worden geoptimaliseerd op het gebied van geleidbaarheid en sterkte, waardoor het mogelijk nog dunner en gemakkelijker kan worden gespoten in preciezere vormen, en het op verschillende frequenties kan laten werken.
"Er is veel ruimte voor verbetering, " zegt Gogotsi. "De eerste is nooit de beste."
