القرن الحادي والعشرون مليء بالعديد من الاختراعات المثيرة للاهتمام وأحيانًا لا تصدق. حرفيا كل يوم يظهر شيء جديد يعد بتحسين حياتنا معك. أحد هذه الابتكارات هو إنترنت الأشياء ، عندما يمكن للكائنات المادية المختلفة من حولنا التواصل مع بعضها البعض ، وتشكيل شبكة معينة. على سبيل المثال ، تحتوي ثلاجتك على قائمة بالمنتجات التي ترغب في شرائها عبر الإنترنت. يمكنه نقل هذه المعلومات إلى جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، والذي سيضع الطلب. يبدو غير عادي للغاية ، لكنه حقيقي تمامًا. ومع ذلك ، يجب إنشاء اتصال مستقر بين الأجهزة ، ولهذا من الضروري بناء أجهزة معينة فيها ، على وجه الخصوص ، قد يكون أحد هذه الأجزاء هوائي تردد لاسلكي. سنتحدث اليوم عن شكل جديد من هذا الجزء ، مصنوع حرفياً من بندقية رش ، والتي عادة ما تكون مطلية على الجدران أو السيارات. ما هو مكون هذا الهوائي ، وما خصائصه وخصائصه ، وكيف سيساعد في تطوير إنترنت الأشياء - سنبحث عن إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير الباحثين. دعنا نذهب.
جوهر الدراسةيوجه الباحثون انتباهنا على الفور إلى كيف تسير الأمور مع الهوائيات الآن. يتكون معظمها من المعادن (النحاس والفضة والألمنيوم) ، وهو أمر منطقي لأن هذه المواد هي موصلات ممتازة ، وهذا مهم للغاية للإرسال الفعال للموجات الراديوية. ومع ذلك ، هناك عامل يحد من قدرات الهوائيات المعدنية. هذا هو تأثير السطح الذي يحدد سمك المادة التي يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق فوقها بكفاءة.
مخطط مبسط لمفهوم التأثير السطحي.يستشهد الباحثون بالنحاس كمثال. على تردد 2.4 غيغاهرتز (وهو عادة لشبكة Wi-Fi أو Bluetooth) ، يكون التأثير النحاسي للسطح 1.33 ميكرومتر. الفضة بها 1.29 ميكرون والألومنيوم 1.67 ميكرون. لذلك ، يجب ألا يقل سمك الهوائيات المصنوعة من هذه المواد عن 5 ميكرون على الأقل حتى تعمل بشكل فعال.
ولكن عندما يتعلق الأمر بتصغير الأجهزة ، لم تعد مثل هذه الأبعاد تبدو صغيرة جدًا ، بل العكس.
لم ينس العلماء وجود تقنية لإنتاج الألياف المعدنية ، ولكن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة للغاية. لذلك ، نحتاج إلى قاعدة جديدة للهوائيات تختلف اختلافًا جذريًا عن سابقاتها ، وقادرة على أن تكون فعالة وسريعة في الإنتاج ، وبطبيعة الحال ، غير مكلفة. ومثل هذا الأساس يمكن أن يكون بدقة MXene.
مادة هوائي المستقبلغالبًا ما تكون هوائيات الترددات اللاسلكية مصنوعة من معادن ، ولكن من الصعب للغاية صنع هوائي رقيق وخفيف ومرن من هذه المواد. ونتذكر الآن أن تقليل حجم الأجهزة وتفاصيلها يعد أحد نقاط تطوير أي تقنية. يمكن حل مشكلة الحجم المادي والشكل عن طريق المواد النانوية الحديثة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية والبوليمرات الموصلة. لكن هذه المواد لها موصلية منخفضة إلى حد ما ، مما يحد بشكل كبير من تطبيقها.
إذا لم تتمكن من العثور على المواد المثالية من المواد المتاحة ، يمكنك إنشاء واحدة بنفسك. بهذه الطريقة ذهب العلماء. كان أساس الهوائيات الجديدة هو كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد (TiC) ، والذي
يحمل في التقرير أيضًا تسمية أخرى -
MXene * .
MXenes * - أو maksens هي فئة من المركبات غير العضوية ثنائية الأبعاد.
كانت قاعدة MXene عبارة عن كربيد تيتانيوم-ألومنيوم (Ti
3 AlC
2 ) ، تم من خلالها إزالة الطبقة الذرية Al بواسطة
النقش الانتقائي * .
النقش الانتقائي * هو طريقة لإزالة مكون معين من نظام المواد.
تمت إضافة 1 جرام من مسحوق Ti
3 AlC
2 تدريجيًا إلى 10 مل من محلول يتكون من 6 مل من حمض الهيدروكلوريك ، و 3 مل من 49٪ من حمض الهيدروفلوريك و 1 مل من الماء منزوع الأيونات. يوضع الخليط الناتج في حمام جليدي (تبريد) لمدة 10 دقائق ، ثم يقلب باستمرار لمدة 24 ساعة.
بعد عملية الحفر ، يتم تنظيف الخليط 5 مرات بواسطة الطرد المركزي (3500 دورة في الدقيقة ، دقيقتان في كل دورة) حتى يصل الأس الهيدروجيني إلى 7-6. بعد ذلك ، تمت إضافة الراسب الناتج إلى محلول بارد من كلوريد الليثيوم (20٪) والماء (80٪). ثم 10 دقائق أخرى في حمام التبريد و 4 ساعات من التحريك في درجة حرارة الغرفة.
هذا ليس كل شيء. كانت الخطوة التالية هي التنظيف الثلاثي المتكرر لتحقيق لون داكن ، والذي يمثل بداية عملية الفصل.
لذا ، يتم تصنيع المادة الأساسية. الآن تحتاج إلى تطبيقه على ركيزة PET (بلاستيك البولي إيثيلين تيريفثاليت) بسماكة 4 مل (1 مل = 1/1000 ″). تم استخدام PET بسبب مرونتها وشفافيتها.
قبل تطبيق MXene على الركيزة ، يجب أن تكون مستعدة. تم تنظيف الركيزة أولاً بالموجات فوق الصوتية في محلول
منظف Hellmanex III لمدة 5٪ لمدة 3 دقائق. تبع ذلك مرحلة أخرى من التنظيف بالموجات فوق الصوتية (أيضًا 3 دقائق) ، ولكن الآن في الماء منزوع الأيونات وفي الإيثانول 190 (95 ٪ من الإيثانول غير المعالج وغير المعالج و 5 ٪ H
2 O).
المنظف * - مادة ذات نشاط سطحي مرتفع ، لذلك يتم استخدامها للتنظيف أو التطهير أو الذوبان. يمكن أن تسمى الوسائل التي نغسل بها الأطباق المنظفات.
بعد ذلك ، تم تجفيف الركيزة باستخدام الهواء المضغوط وتنقيتها بواسطة بلازما الأكسجين لمدة 5 دقائق وتدفق O2 4 سم
3 / دقيقة. هذا جعل من الممكن إزالة التلوث المتبقي وزيادة درجة
رطوبة السطح
* .
Hydrophilicity * - مبالغ فيه ، قدرة الجسم على امتصاص الماء. اسفنجة الحمام هي مثال رئيسي على المحبة للماء. على النقيض من ذلك ، هناك كراهية للماء عندما يصد جسم ما الماء ، مثل مظلة تحت المطر.
المحبة للماء كمثال على كيفية امتصاص الإسفنجة المجففة للماء.
كأداة لتطبيق MXene على PET ، أصبح بخاخ عادي (بندقية رش ، لأولئك الذين يحبون أسماء أكثر الملتوية).
نتائج البحثنتيجة لعملية التصنيع المذكورة أعلاه ، تم الحصول على محلول
غرواني مائي ثابت
* مع رقائق Ti
3 C
2 .
محلول غرواني * - في الواقع ، هو شيء ما بين محلول حقيقي (متجانس) ومحلول خشن مشتت ، عندما توجد جزيئات صغيرة من إحدى المواد المكونة له.
الصورة رقم 1يوضح الشكل
1 أ تخطيطيًا رقائق النانو Ti
3 C
2 المذكورة أعلاه. كما تظهر أيضًا خيارات لتطبيق هذه المادة على الركيزة: الترشيح (الترشيح) والرش (الرش). في هذه الدراسة ، يتم الانتباه إلى الخيار الثاني لإنشاء أفلام ستصبح أساس الهوائيات الجديدة. لن يزيد سمك الفيلم عن 1.4 ميكرون ، إذا قمت بتطبيق التطبيق عن طريق الرش. إذا قمت بتطبيق الترشيح - أكثر من 1 ميكرون.
ميزة الرش هي أنه يمكن ترسيب طبقة Ti
3 C
2 بسماكة تبلغ 1 ميكرومتر على السطح الخشن لـ PET إذا تم معالجة الركيزة مسبقًا باستخدام بلازما الأكسجين. الترشيح لا يعطي مثل هذه النتائج عند تطبيقه على PET.
تُظهر الصورة
1 ب صوراً لثنائيات هيرتز ثنائية القطب (نوع الهوائيات) من MXene بسماكة 62 نانومتر (العينة في الأعلى) و 1.4 ميكرومتر (العينة في الأسفل).
1c هي صورة SEM (مجهر مسح إلكتروني) حيث يمكننا أن نرى كيف يتم توزيع رقائق Ti
3 C
2 (خطوط متقطعة حمراء) على سطح الركيزة (منظر علوي) ، وكذلك كيف تخفي طبقة MXene الركيزة (منظر جانبي).
الشكل
1 د هو نتائج تحليل حيود الأشعة السينية للعينات التي تم إنشاؤها بطريقتين: الترشيح الفراغي والرش. الخط الأسود هو الفيلم بعد الترشيح بالفراغ ، والخط الأحمر بعد المعالجة الحرارية في فراغ عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. الخط الأسود المتقطع هو فيلم 1.4 ميكرومتر بعد الرش ، والخط الأحمر المتقطع بعد معالجة إضافية في فراغ عند 150 درجة مئوية.
في حالة الترشيح ، حولت المعالجة بالفراغ ذروة (002) من 6.8 درجة إلى 8.3 درجة. وفي حالة الرش - من ~ 5 ° إلى 6.1 °.
إن مؤشر سطح الفيلم هو مؤشر مهم للغاية لمادة في سياق دوائر الترددات الراديوية. في الرسم البياني 1 هـ
، يمكننا أن نرى مؤشرات مقاومة مختلفة لسمك الفيلم المختلفة التي تم الحصول عليها عن طريق قياسات المقاومة من أربع نقاط. عندما كان سمك الفيلم 1.4 ميكرومتر ، وصلت المقاومة إلى 0.77 ± 0.08 أوم لكل متر مربع. إذا كان الفيلم بسمك 62 نانومتر ، كانت النتيجة 47 ± 8 أوم لكل متر مربع ، وكان نفاذية الضوء عند طول موجة 550 نانومتر 49 ٪.
ملاحظة مهمة لهذا التحليل هي حقيقة أن المقاومة تزداد عند الوصول إلى سمك ≤100 نانومتر. هذا ، وفقا للباحثين ، يرجع على الأرجح إلى توقف الروابط بين رقائق النانو Ti
3 C
2 الفردية ، والتي ترجع إلى عدم دقة الرش اليدوي.
العينة بعد إجراء الرش.الباحثون ، وقد درسنا بالفعل خصائص المادة. الخطوة التالية هي التحقق من قابلية تشغيل الأجهزة التي تم إنشاؤها على أساس المواد المصنوعة من MXene.
تم صنع 3 أجهزة لاختبار معلمات معينة:
- ثنائي القطب هيرتز للتحقق من خصائص الإشعاع ؛
- خط إرسال لفحص انتشار الموجات ؛
- علامة RFID (تحديد الترددات اللاسلكية) لدراسة التشتت الخلفي عندما تنعكس الموجة إلى المصدر.
الصورة رقم 2الهوائيات ثنائية القطب نصف الموجة شائعة للغاية في مختلف المجالات (البث ، والهواتف المحمولة ، والاتصالات اللاسلكية ، وما إلى ذلك) لأنها تنتشر موجات في جميع الاتجاهات. لذلك ، تم اختيار هذا النوع من الهوائي لاختبار خصائص الموجة.
يوضح الشكل
2 أ رسمًا تخطيطيًا لهوائي مصنوع من MXene المختبر بتردد 2.4 جيجا هرتز. يبلغ إجمالي طول ثنائي القطب 62 نانومتر ، وهو نصف طول الموجة عند تردد التشغيل هذا. كانت المؤشرات الرئيسية التي تم تحليلها هي فقدان العودة وخصائص الإشعاع.
تختلف معدلات فقدان العودة اعتمادًا على السمك: من -12 ديسيبل عند 114 نانومتر إلى -65 ديسيبل عند 8 ميكرومتر. من الواضح أن خسارة العودة تزداد مع زيادة سماكة الهوائي. يشير الباحثون إلى العلاقة بين هذا الاتجاه وعلاقة السماكة والمقاومة السطحية ، كما تمت مناقشته سابقًا. ويلاحظ أيضًا أن خسارة العودة يمكن أن تعتمد بشكل مباشر على التغيرات في المقاومة بسبب أطوال مختلفة ، والتي تنخفض عندما يكون الهوائي أرق. هذا ، مرة أخرى ، يرجع إلى الطريقة اليدوية لرش MXene على الركيزة.
2 ب هي قياسات معامل الانعكاس (S
11 ) لهوائي ثنائي القطب بسماكات مختلفة (من 114 نانومتر إلى 8 ميكرومتر). يوضح الرسم البياني
2 ج قياسات معامل الموجة الدائمة ، والتي توضح مدى كفاءة إرسال الطاقة إلى الهوائي ومطابقة المعاوقة. المربعات السوداء هي MXene المختبرة ، والدوائر الحمراء من النحاس ، والمعينات الزرقاء من الألومنيوم.
تم قياس الاتجاه الإشعاعي لهوائي ثنائي القطب في غرفة عديمة الصدى خاصة ، وكان هوائي Vivaldi بمثابة مستقبل إشارة. يظهر عرض لغرفة الاختبار في الصورة
2 د .
مثال على هوائي Vivaldi.في الرسم البياني المجاور (
2 هـ ) ، نرى بالفعل مخطط إشعاع هوائي MXene بسمك 8 ميكرومتر. أخيرًا ، رسم بياني
2f يوضح أقصى اتجاهية لهوائي MXene.
لاحظ الباحثون خاصية مهمة جدًا للهوائي الجديد ، معامل الانعكاس. كان هذا المؤشر -65 ديسيبل لهوائي بسماكة 8 ميكرومتر ، وهو أفضل بكثير من الهوائيات من المواد النانوية الأخرى ذات السماكة المقابلة.
حتى مع سمك 1.4 ميكرومتر ، فإن المعامل الناتج (-36 ديسيبل) أفضل من هوائيات 7 ميكرومتر مصنوعة من الجرافين المطبوع أو الجرافين الرقائقي أو الحبر الفضي.
الصورة رقم 3لذا ، ننتقل الآن إلى اختبار الجهاز الثاني من مادة الاختبار إلى خط النقل. يمكن القول أن هذا عنصر مهم للغاية ، وهو المكون الرئيسي لأجهزة RF المختلفة. وهي ضرورية لإرسال إشارات الترددات الراديوية من النقطة A إلى النقطة B مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.
من بين مجموعة كاملة من أنواع خطوط النقل للاختبار ، تم اختيار واحد - دليل موجة الشريط. في مثل هذا الدليل الموجي ، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية على طول اثنين أو أكثر من الموصلات الموجودة في نفس المستوى. يظهر تخطيط ومظهر الدليل الموجي في الصورة
3 أ . يتم إرسال الإشارة على طول الموصل المركزي (بعرض 1.7 ميكرومتر) واثنان على جانبيها على مسافة 0.5 ميكرومتر أرضي.
تم إجراء الاختبار بواسطة موجهات الموجة بسماكة 62 نانومتر إلى 8 ميكرومتر ، وكذلك مواضيع الاختبار السابقة - هوائيات ثنائي القطب. مع انخفاض السماكة ، زاد معامل التوهين ، كما هو واضح في الرسم البياني
3 ب . لكن الرسم البياني
3 ج يوضح أن البيانات المقاسة تتطابق تمامًا تقريبًا مع تلك المحسوبة مسبقًا.
كما تم اختبار مرونة الدليل الموجي (
3D ). لم يؤد تغيير شكل الدليل الموجي إلى أي تغييرات في خصائصه ، مما يجعل MXene مادة ممتازة للأجهزة المرنة والمدمجة. ومع ذلك ، مع الانحناء المستمر ، لوحظت زيادة في مقاومة السطح بنسبة 14 ٪ ، والتي يمكن حلها من خلال تطبيق طريقة الطرد المركزي لإيداع Ti
3 C
2 على الركيزة ، مما سيسمح بتوزيع أكثر انتظامًا للرقائق النانوية على السطح.
بعد ذلك ، قارن الباحثون معاملات التوهين الخاصة بإنشائها مع تلك التي تم إنشاؤها في وقت سابق. وبالتالي ، عند 1 غيغاهرتز ، يكون معامل التوهين MXene (1.4 ميكرومتر) أقل 50 مرة من دليل الموجة الجرافين بسُمك 7.7 ميكرومتر ، وأقل 300 مرة من دليل الموجة بالحبر الفضي. يمكن رؤية تفاصيل المقارنة في الرسم البياني
3 هـ .
وفي الختام ، تم اختبار الجهاز الثالث القائم على MXene ، علامة RFID.
الصورة رقم 4يوضح الشكل
4 أ المخطط ومبدأ تشغيل هوائي RFID. يوضح الرسم البياني
4 ب مسافات قراءة الوصلة الهابطة لثلاثة هوائيات RFID مختلفة. تظهر جميع العينات الثلاثة مدى قراءة يبلغ 6 أمتار ، وعند الوصول إلى أقصى مقاومة لمطابقة المدخلات لشريحة RFID ، يتسع النطاق إلى 8 أمتار.
المؤشرات المذكورة أعلاه مشجعة للغاية ، ولكن Ti
3 C
2 له عيب مهم - الأكسدة. رقائق Ti
3 C
2 النانومترية مستقرة تمامًا فقط في جو خامل. تم استخدام الأرجون (Ar) في هذه الدراسة. إذا دخل الفيلم إلى وسط يحتوي على الأكسجين ، فإنه يبدأ في الانهيار ببطء. أظهرت القياسات أنه لمدة 70 ساعة ، يحتفظ Ti
3 C
2 بخصائصه في الهواء العادي. هذا ينطبق على رقائق فردية ، فردية. إذا كان هناك الكثير منهم ، وشكلوا مجموعات ، فإن مثل هذه المجموعة من رقائق النانو يمكن أن توجد بدون تغييرات سلبية في الهواء لمدة تصل إلى 30 يومًا. ويرجع ذلك إلى دقتها ، حيث أنها متجاورة بشدة مع بعضها البعض وتحمي الجزء الداخلي من الأكسدة ، وبالتالي إطالة عمرها التشغيلي.
وفقا للعلماء ، من الممكن في الوقت الحالي حل مشكلة الأكسدة عن طريق تصفيح الأجزاء على أساس Ti
3 C
2 أو وضعها داخل أجهزة مغلقة.
تتوفر تفاصيل الحسابات والاختبارات والقياسات في
تقرير العلماء وفي
مواد إضافية إليه.
الخاتمةالمواد المذكورة أعلاه تستحق اهتمامًا خاصًا تمامًا ، نظرًا لخصائصها ، وفقًا للاختبارات والاختبارات. الخفة والمرونة والحجم الصغير وفي نفس الوقت الأداء الجيد هي العوامل التي يمكن أن تجذب العديد من الشركات في المستقبل. أصبحت الأجهزة من حولنا أكثر ذكاءً ، وبعضها أصبح أصغر. عند تغيير حجم شيء ما ، تتوقع تدهورًا في خصائصه. هذا هو السبب في أن العديد من المجموعات البحثية تعمل على إنشاء أجهزة جديدة أو أجزاء جديدة أو البحث عن مواد جديدة أو تجميعها. كل ذلك حتى لا تعتمد إنتاجية التقنيات المستقبلية على خصائصها الفيزيائية أو بيئة استخدامها.
بالإضافة إلى ذلك ، "الهوائي من البخاخة" - العبارة نفسها تبدو مستقبلية كما كان يتصور إسحاق أسيموف. لكن لا شيء سيفاجئ العلماء المعاصرين. بل على العكس من ذلك ، فإنهم هم الذين لا يتوقفون عن إدهاشنا ، ولا نتوقف عن مفاجأة ونفرح باكتشافاتهم ، لأن معظمهم يهدفون إلى الصالح العام.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب
هنا .
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟