Antena de pulverización: miniatura, flexible y potente.

El siglo XXI está lleno de muchos inventos interesantes y a veces increíbles. Literalmente, cada día aparece algo nuevo que promete mejorar nuestra vida con usted. Una de estas innovaciones es la Internet de las cosas, cuando varios objetos físicos que nos rodean pueden comunicarse entre sí, formando una determinada red. Por ejemplo, su refrigerador tiene una lista de productos que desea comprar por Internet. Él puede transferir esta información a su computadora, que realizará el pedido. Suena extremadamente inusual, pero es absolutamente real. Sin embargo, se debe establecer una conexión estable entre los dispositivos, y para esto es necesario construir algunos en ellos, en particular, una de esas partes puede ser una antena de radiofrecuencia. Hoy hablaremos de una nueva forma de esta parte, hecha literalmente con una pistola rociadora, que generalmente está pintada en paredes o automóviles. De qué está hecha esta antena, cuáles son sus propiedades y características, cómo ayudará al desarrollo de Internet de las cosas: buscaremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe de los investigadores. Vamos

La esencia del estudio.

Los investigadores inmediatamente centran nuestra atención en cómo están las cosas con las antenas ahora. La mayoría de ellos consisten en metales (cobre, plata, aluminio), lo cual es lógico porque tales sustancias son excelentes conductores, y esto es extremadamente importante para la transmisión eficiente de ondas de radio. Sin embargo, hay un factor que limita las capacidades de las antenas metálicas. Este es un efecto de superficie que determina el grosor del material sobre el cual una corriente eléctrica puede fluir eficientemente.


Un esquema simplificado del concepto de efecto de superficie.

Los investigadores citan el cobre como ejemplo. A una frecuencia de 2.4 GHz (que generalmente es para Wi-Fi o Bluetooth), el efecto de superficie del cobre es de 1.33 μm. La plata tiene 1.29 micras y el aluminio tiene 1.67 micras. Por lo tanto, el grosor de las antenas hechas de estos materiales debe ser de al menos 5 micras para que funcionen de manera efectiva.

Pero cuando se trata de minimizar dispositivos, tales dimensiones ya no parecen tan pequeñas, sino todo lo contrario.

Los científicos no se han olvidado de la existencia de una tecnología para la producción de fibras metálicas, pero este método es muy laborioso y costoso. Por lo tanto, necesitamos una nueva base para antenas que sea radicalmente diferente de sus predecesoras, capaz de ser eficiente, rápida en producción y, por supuesto, económica. Y tal base puede ser precisamente MXene.

Material para antena futura

Las antenas de radiofrecuencia a menudo están hechas de metales, pero es extremadamente difícil hacer una antena delgada, liviana y flexible a partir de dicho material. Y recordamos que ahora minimizar el tamaño de los dispositivos y sus detalles es uno de los puntos de desarrollo de cualquier tecnología. El problema del tamaño físico y la forma se puede resolver con nanomateriales modernos como el grafeno, los nanotubos de carbono y los polímeros conductores. Pero tales materiales tienen una conductividad bastante baja, lo que limita en gran medida su aplicación.

Si no puede encontrar el material ideal de los disponibles, puede crear uno usted mismo. Es de esta manera que los científicos se han ido. La base de las nuevas antenas fue el carburo de titanio bidimensional (TiC), que en el informe también tiene otra designación: MXene * .

MXenes * - o maksens es una clase de compuestos inorgánicos bidimensionales.

La base de MXene era carburo de titanio y aluminio (Ti ₃ AlC ₂ ), de la cual se eliminó la capa atómica de Al mediante grabado selectivo * .

El grabado selectivo * es un método para eliminar un componente específico de un sistema de sustancias.

Se añadió gradualmente 1 gramo de polvo de Ti ₃ AlC ₂ a 10 ml de una solución que consta de 6 ml de ácido clorhídrico, 3 ml de ácido fluorhídrico al 49% y 1 ml de agua desionizada. La mezcla resultante se colocó en un baño de hielo (enfriamiento) durante 10 minutos, y luego se agitó continuamente durante 24 horas.

Después del proceso de ataque químico, la mezcla se limpió 5 veces por centrifugación (3500 rpm, 2 minutos cada vez) hasta que el pH alcanza 7-6. A continuación, el precipitado resultante se añadió a una solución fría de cloruro de litio (20%) y agua (80%). Luego otros 10 minutos en un baño de enfriamiento y 4 horas de agitación a temperatura ambiente.

Eso no es todo. El siguiente paso fue la limpieza triple repetida para lograr un color oscuro, que marca el comienzo del proceso de separación.

Entonces, la sustancia base se sintetiza. Ahora debe aplicarlo a un sustrato de PET (tereftalato de polietileno termoplástico) de 4 mil de espesor (1 mil = 1/1000 ″). Se utilizó PET debido a su flexibilidad y transparencia.

Antes de aplicar MXene al sustrato, tenía que estar preparado. El sustrato se limpió primero por ultrasonido en una solución de detergente Hellmanex III al 5% * durante 3 minutos. Esto fue seguido por otra etapa de limpieza ultrasónica (también 3 minutos), pero ahora en agua desionizada y en etanol 190 (95% de etanol puro sin desnaturalizar y 5% _de H2O).

Detergente * : una sustancia con alta actividad superficial, por lo tanto, se usa para limpieza, desinfección o disolución. Los medios por los cuales lavamos los platos se pueden llamar detergentes.

Posteriormente, el sustrato se secó usando aire comprimido y se purificó mediante plasma de oxígeno durante 5 minutos y un flujo de O2 de 4 cm ³ / min. Esto hizo posible eliminar la contaminación residual y aumentar el grado de hidrofilia * de la superficie.

Hidrofilia * : exagerada, la capacidad del objeto de absorber agua. Una esponja de baño es un excelente ejemplo de hidrofilia. En contraste, hay hidrofobia cuando un objeto repele el agua, como un paraguas bajo la lluvia.


La hidrofilia como un ejemplo de cómo una esponja seca absorbe agua.

Como herramienta para aplicar MXene al PET, se ha convertido en un rociador ordinario (pistola rociadora, para quienes gustan de nombres más retorcidos).

Resultados de la investigación

Como resultado del proceso de fabricación anterior, se obtuvo una solución coloidal acuosa estable * con escamas de Ti ₃ C ₂ .

Una solución coloidal * : de hecho, es algo entre una solución verdadera (homogénea) y una solución dispersa gruesa, cuando pequeñas partículas de una de las sustancias constituyentes están presentes en ella.

Imagen No. 1

La figura 1a muestra esquemáticamente los nanoflakes de Ti ₃ C ₂ mencionados anteriormente. También se muestran opciones para aplicar esta sustancia a un sustrato: filtración (filtración) y pulverización (pulverización). En este estudio, se presta atención a la segunda opción para crear películas que se convertirán en la base de nuevas antenas. El espesor de la película no será superior a 1,4 micras, si aplica la aplicación por pulverización. Si aplica filtración, más de 1 micra.

La ventaja de la pulverización es que una capa de Ti ₃ C ₂ con un grosor del orden de 1 μm puede depositarse sobre la superficie rugosa del PET si el sustrato se trata previamente con plasma de oxígeno. La filtración no da tales resultados cuando se aplica a PET.

La imagen 1b muestra fotografías de dipolos Hertz (tipo de antenas) de MXene con un grosor de 62 nm (muestra en la parte superior) y 1,4 μm (muestra en la parte inferior).

1c es una imagen SEM (microscopio electrónico de barrido) donde podemos ver cómo se distribuyen las escamas de Ti ₃ C ₂ (líneas discontinuas rojas) en la superficie del sustrato (vista superior), y cómo la capa MXene oculta el sustrato (vista lateral).

La figura 1d muestra los resultados del análisis de difracción de rayos X de muestras creadas de dos maneras: filtración al vacío y pulverización. La línea negra es la película después de la filtración al vacío, y la línea roja es después del tratamiento térmico al vacío a una temperatura de 150ºC. La línea discontinua negra es una película de 1,4 μm después de la pulverización, y la línea discontinua roja después del procesamiento adicional en vacío a 150 ° C.

En el caso de la filtración, el tratamiento al vacío cambió el pico (002) de 6.8 ° a 8.3 °. Y en el caso de pulverización, de ~ 5 ° a 6.1 °.

Un indicador extremadamente importante de una sustancia en el contexto de los circuitos de radiofrecuencia es la resistencia de la superficie de la película. En el gráfico 1e, podemos ver diferentes índices de resistencia para diferentes espesores de película obtenidos mediante mediciones de resistencia de cuatro puntos. Cuando el grosor de la película fue de 1,4 μm, la resistencia alcanzó 0,77 ± 0,08 ohmios por cuadrado. Si la película tenía un grosor de 62 nm, el resultado era 47 ± 8 ohmios por cuadrado, y la transmitancia de luz a una longitud de onda de 550 nm era del 49%.

Una observación importante de este análisis es el hecho de que la resistencia aumenta al alcanzar un espesor de ≤100 nm. Esto, según los investigadores, probablemente se deba a la discontinuidad de los enlaces entre los nanoflakes individuales de Ti ₃ C ₂ , que se debe a la inexactitud de la pulverización manual.


Muestra después del procedimiento de pulverización.

Investigadores, y ya hemos estudiado las propiedades del material. El siguiente paso es verificar la operabilidad de los dispositivos creados sobre la base de material fabricado por MXene.

Se hicieron 3 dispositivos para probar ciertos parámetros:

• Dipolo de Hertz para verificar las propiedades de radiación;
• línea de transmisión para verificar la propagación de ondas;
• Una etiqueta RFID (identificación por radiofrecuencia) para estudiar la retrodispersión cuando una onda se refleja en la fuente.

Imagen No. 2

Las antenas dipolo de media onda son extremadamente comunes en varios campos (radiodifusión, teléfonos móviles, conexiones inalámbricas, etc.) porque propagan ondas en todas las direcciones. Por lo tanto, este tipo de antena se eligió para probar las características de la onda.

La Figura 2a muestra un diagrama de dicha antena hecha del MXene probado con una frecuencia de 2.4 GHz. La longitud total del dipolo es de 62 nm, que es la mitad de la longitud de onda a esta frecuencia de operación. Los principales indicadores que se analizaron fueron la pérdida de retorno y las características de radiación.

Las tasas de pérdida de retorno varían según el grosor: de −12 decibelios a 114 nm a −65 decibelios a 8 μm. Se ve claramente que la pérdida de retorno aumenta con el engrosamiento de la antena. Los investigadores señalan la relación entre esta tendencia y la correlación de espesor y resistencia superficial, como se discutió anteriormente. También se observa que la pérdida de retorno puede depender directamente de los cambios en la resistencia debido a diferentes longitudes, que disminuyen cuando la antena es más delgada. Esto, nuevamente, se debe al método manual de rociar MXene sobre un sustrato.

2b son medidas del coeficiente de reflexión (S ₁₁ ) de una antena dipolo de varios espesores (de 114 nm a 8 μm). Las medidas del coeficiente de onda estacionaria, que muestran cuán eficientemente se transmite la potencia a la antena y la adaptación de la impedancia, se muestran en el gráfico 2c . Los cuadrados negros son el MXene probado, los círculos rojos son de cobre y los rombos azules son de aluminio.

La directividad de radiación de la antena dipolo se midió en una cámara anecoica especial, y la antena Vivaldi actuó como un receptor de señal. Una vista de la sala de pruebas se muestra en la imagen 2d .


Un ejemplo de una antena Vivaldi.

En el gráfico adyacente ( 2e ), ya vemos el patrón de radiación de la antena MXene con un grosor de 8 μm. Finalmente, un gráfico 2f que muestra la directividad máxima de la antena MXene.

Los investigadores notan una característica muy importante de la nueva antena, su coeficiente de reflexión. Este indicador fue de -65 dB para una antena con un grosor de 8 μm, que es mucho mejor que el de las antenas de otros nanomateriales de grosor correspondiente.

Incluso con un grosor de 1,4 μm, el coeficiente resultante (-36 dB) es mejor que para antenas de 7 μm hechas de grafeno impreso, grafeno laminado o tinta plateada.


Imagen No. 3

Entonces, ahora pasamos a probar el segundo dispositivo desde el material de prueba, hasta la línea de transmisión. Este es un componente muy importante, podría decirse, principal de varios dispositivos de RF. Son necesarios para transmitir señales de radiofrecuencia desde el punto A al punto B con una pérdida de energía mínima.

De toda la variedad de tipos de líneas de transmisión para pruebas, se eligió una: una guía de ondas de banda. En dicha guía de ondas, las ondas electromagnéticas se propagan a lo largo de dos o más conductores ubicados en el mismo plano. El diseño y la apariencia de la guía de ondas se muestran en la imagen 3a . La señal se transmite a lo largo del conductor central (1.7 μm de ancho), y dos a los lados del mismo a una distancia de 0.5 μm están conectados a tierra.

La prueba fue realizada por guías de onda con un grosor de 62 nm a 8 μm, así como por los sujetos de prueba anteriores: antenas dipolo. Al disminuir el grosor, el coeficiente de atenuación aumentó, como se puede ver en el gráfico 3b . Pero el gráfico 3c muestra que los datos medidos coinciden casi por completo con los calculados de antemano.

También se probó la flexibilidad de dicha guía de onda ( 3d ). Cambiar la forma de la guía de onda no condujo a ningún cambio en sus características, lo que hace que MXene sea un material excelente para dispositivos flexibles y compactos. Sin embargo, con una flexión constante, se observa un aumento en la resistencia de la superficie en un 14%, que se puede resolver aplicando el método de centrifugación para depositar Ti ₃ C ₂ en el sustrato, lo que permitirá una distribución más uniforme de los nanocapas en la superficie.

Luego, los investigadores compararon los coeficientes de atenuación de su creación con los que se crearon anteriormente. Por lo tanto, a 1 GHz, el coeficiente de atenuación MXene (1,4 μm) es 50 veces menor que el de una guía de ondas de grafeno de 7,7 μm de grosor, y 300 veces menor que el de una guía de ondas de tinta plateada. Los detalles de la comparación se pueden ver en el gráfico 3e .

Y en conclusión, se probó el tercer dispositivo basado en MXene, la etiqueta RFID.


Imagen No. 4

4a muestra el diagrama y el principio de funcionamiento de la antena RFID. El gráfico 4b muestra las distancias de lectura del enlace descendente de tres antenas RFID diferentes. Las tres muestras exhiben un rango de lectura de 6 m. Al alcanzar la impedancia de entrada de coincidencia máxima del chip RFID, el rango se expande a 8 m.

Los indicadores anteriores son extremadamente alentadores, pero Ti ₃ C ₂ tiene un inconveniente importante: la oxidación. Las escamas de nanómetros Ti ₃ C ₂ son absolutamente estables solo en una atmósfera inerte. Se utilizó argón (Ar) en este estudio. Si la película entra en un medio que contiene oxígeno, comienza a colapsarse lentamente. Las mediciones mostraron que durante 70 horas, el Ti ₃ C ₂ conserva sus propiedades en el aire ordinario. Esto se aplica a las escamas individuales, individuales. Si hay muchos de ellos y forman grupos, entonces puede existir un conjunto de nanoflakes sin cambios negativos en el aire por hasta 30 días. Esto se debe a su precisión, ya que están estrechamente adyacentes entre sí y protegen la parte interna de la oxidación, alargando así su vida útil.

Según los científicos, en este momento es posible resolver el problema de la oxidación laminando piezas basadas en Ti ₃ C ₂ o colocándolas dentro de dispositivos sellados.

Los detalles de los cálculos, las pruebas y las mediciones están disponibles en el informe de los científicos y en materiales adicionales .

Epílogo

El material anterior merece atención especial, dadas sus características, de acuerdo con pruebas y pruebas. La ligereza, la flexibilidad, el tamaño pequeño y al mismo tiempo el buen rendimiento son los factores que pueden atraer a muchas empresas en el futuro. Los dispositivos que nos rodean son cada vez más inteligentes, algunos de ellos cada vez más pequeños. Cambiando el tamaño de algo, espera un deterioro en sus características. Es por eso que muchos grupos de investigación están trabajando para crear nuevos dispositivos, nuevas piezas, buscar nuevos materiales o en su síntesis. Todo para que la productividad de las tecnologías futuras no dependa de sus características físicas o del entorno de su uso.

Además, la "antena del atomizador", la frase en sí misma suena tan futurista como Isaac Asimov podría haber imaginado. Pero nada sorprenderá a los científicos modernos. Más bien, por el contrario, son ellos quienes no dejan de sorprendernos, y no dejamos de sorprendernos y alegrarnos de sus descubrimientos, ya que la mayoría apunta al bien común.

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