Forschung -

Aufgesprühte Antennen bieten hohe Designflexibilität

Die Vorteile von Wearables, Funktionsstoffen, dem Internet der Dinge und ihrer "Next-Generation"-Technologiekohorte erscheinen verlockend in Reichweite.

Aber die Forscher vor Ort weisen darauf hin, dass ein Hauptgrund für ihre verspätete "Ankunft" das Problem ist, die Verbindungstechnik - nämlich Antennen - nahtlos mit Formveränderungen und flexiblen "Dingen" zu integrieren.

Aber ein Durchbruch von Forschern an der Drexel University könnte nunmehr die Installation einer Antenne so einfach wie das Auftragen von Insektenspray gestalten.

In einer kürzlich in "Science Advances" veröffentlichten Studie berichtet die Forschergruppe über ein Verfahren zum Sprühen von unsichtbar dünnen Antennen, bestehend aus einer Art zweidimensionalem, metallischen Werkstoff namens MXene, die genau so gut funktionieren wie die aktuellen Antennen in mobilen Geräten, drahtlosen Routern und ähnlichen Systemen.

"Das ist ein sehr spannendes Ergebnis, denn es gibt viele Anwendungen für diese Art von Technologie", sagte Professor Kapil Dandekar, der das "Drexel Wireless Systems Lab" leitet.

"Die Möglichkeit, eine Antenne auf ein flexibles Substrat zu sprühen oder optisch transparent zu machen, bedeutet, dass wir viele neue Orte für den Aufbau von Netzen haben könnten - es gibt neue Anwendungen und neue Wege der Datenerfassung, die wir uns im Moment nicht einmal vorstellen können."

Die Forscher vom 'Department of Materials Science and Engineering' des College berichten, dass das MXene Titankarbid in Wasser auflösbar ist, um eine Tinte oder Farbe herzustellen. Die außergewöhnliche Leitfähigkeit des Materials ermöglicht es, Radiowellen zu übertragen und auszurichten, selbst wenn es in einer sehr dünnen Schicht aufgetragen wird.

"Wir haben festgestellt, dass selbst transparente Antennen mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern effizient kommunizieren können", sagte die Doktorandin Asia Sarycheva. "Durch die Erhöhung der Dicke auf 8 µm erreichte die Leistung der MXene-Antenne 98 Prozent des vorhergesagten Maximalwertes."

Die Erhaltung der Übertragungsqualität in einer Form, die so dünn ist, ist von Bedeutung, weil man dann Antennen in eine Vielzahl von Objekten und Oberflächen einfach einbetten oder im wahrsten Sinne des Wortes aufsprühen kann -, ohne zusätzliches Gewicht oder zusätzliche Schaltungen oder eine gewisse Festigkeit.

"Diese Technologie könnte eine wirklich nahtlose Integration von Antennen mit Alltagsgegenständen ermöglichen, was für das entstehende Internet der Dinge entscheidend sein wird", sagte Dandekar.

"Forscher haben viel Arbeit mit nichttraditionellen Materialien geleistet, um herauszufinden, wo die Fertigungstechnologie die Systemanforderungen erfüllt. Aber diese Technologie könnte es viel einfacher machen, einige der schwierigen Fragen zu beantworten, an denen wir seit Jahren arbeiten."

Erste Tests der gesprühten Antennen deuten darauf hin, dass sie mit dem gleichen Qualitätsbereich wie aktuelle Antennen arbeiten können, die aus bekannten Metallen wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium hergestellt werden, aber viel dicker als MXene-Antennen sind.

Die Antennen kleiner und leichter zu machen, ist seit Langem ein Ziel der Materialwissenschaftler und Ingenieure, sodass diese Entdeckung sowohl im Hinblick auf die Reduzierung ihres Platzbedarfs als auch auf die Erweiterung ihrer Anwendungen ein großer Schritt nach vorn ist.

"Die derzeitigen Herstellungsmethoden von Metallen können Antennen nicht dünn genug und auf jede Oberfläche anwendbar machen, trotz jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung, um die Leistung von Metallantennen zu verbessern", sagte Professor Yury Gogotsi, Direktor des "A.J. Drexel Nanomaterials Institute", der das Projekt initiierte und leitete.

"Wir suchten nach zweidimensionalen Nanomaterialien, die eine Blattdicke aufweisen, die etwa hunderttausend Mal dünner ist als ein menschliches Haar, nur wenige Atome im Durchmesser hat und sich nach der Abscheidung auf jeder Oberfläche selbst zu leitfähigen Schichten zusammenfügen kann".

"Deshalb haben wir uns für MXene als Kandidat für ultradünne Antennen entschieden, ein zweidimensionales Titancarbidmaterial, das stärker als Metalle und metallisch leitfähig ist".

Drexel-Forscher entdeckten die Familie der MXene-Materialien im Jahr 2011 und haben seitdem umfangreiche Kenntnisse über ihre Eigenschaften und ihre Anwendungsmöglichkeiten gesammelt.

Das geschichtete zweidimensionale Material, das durch nasschemische Verarbeitung hergestellt wird, hat bereits ein Anwendungspotenzial in Energiespeichern, elektromagnetischer Abschirmung, Wasserfiltration, chemischer Sensorik, struktureller Verstärkung und der Gastrennung gezeigt.

Natürlich wurden die MXene-Materialien mit vielversprechenden zweidimensionalen Materialien verglichen, wie Graphen, das 2010 den Nobelpreis erhielt und als Material für druckbare Antennen erforscht wurde.

In dem Forschungsbericht verglichen die Forscher die Sprühantennen mit einer Vielzahl von Antennen aus diesen neuen Materialien, darunter Graphen, Silbertinte und Kohlenstoff-Nanoröhren. Die MXene-Antennen waren, bezogen auf die Qualität der Funkwellenübertragung, 50-mal besser als Graphen und 300-mal besser als die Silbertintenantennen.

"Die MXene-Antenne übertraf nicht nur die Makro- und Mikrowelt der Metallantennen, wir gingen auch über die Leistung der verfügbaren Nanomaterialantennen hinaus, während wir die Antennendicke sehr niedrig hielten", sagte Professor Babak Anasori vom "A.J. Drexel Nanomaterials Institute".

"Die dünnste Antenne war 62 nm dick - etwa tausend Mal dünner als ein Papierblatt - und sie war fast transparent. Im Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren von Nanomaterialien, die Zusatzstoffe, sogenannte Bindemittel und zusätzliche Erhitzungsschritte zum Sintern der Nanopartikel erfordern, haben wir Antennen in einem einzigen Schritt hergestellt, indem wir unsere wasserbasierte MXene-Tinte mit Airbrush gesprüht haben."

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