Antena de pulverização: miniatura, flexível e potente

O século XXI está repleto de muitas invenções interessantes e às vezes incríveis. Literalmente todos os dias, algo novo aparece que promete melhorar nossa vida com você. Uma dessas inovações é a Internet das coisas, quando vários objetos físicos ao nosso redor podem se comunicar, formando uma certa rede. Por exemplo, seu refrigerador possui uma lista de produtos que você deseja comprar pela Internet. Ele pode transferir essas informações para o seu computador, que fará o pedido. Parece extremamente incomum, mas é absolutamente real. No entanto, uma conexão estável deve ser estabelecida entre os dispositivos, e para isso é necessário incorporar alguns neles, em particular, uma dessas partes pode ser uma antena de radiofrequência. Hoje falaremos sobre uma nova forma dessa peça, feita literalmente a partir de uma pistola de pintura, que geralmente é pintada em paredes ou carros. De que é feita essa antena, quais são suas propriedades e características, como ajudará o desenvolvimento da Internet das coisas - procuraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório dos pesquisadores. Vamos lá

A essência do estudo

Os pesquisadores imediatamente voltam nossa atenção para como estão as antenas agora. A maioria deles consiste de metais (cobre, prata, alumínio), o que é lógico porque essas substâncias são excelentes condutores, e isso é extremamente importante para a transmissão eficiente de ondas de rádio. No entanto, há um fator que limita os recursos das antenas metálicas. Este é um efeito de superfície que determina a espessura do material sobre o qual uma corrente elétrica pode fluir eficientemente.


Um esquema simplificado do conceito de efeito de superfície.

Os pesquisadores citam o cobre como um exemplo. A uma frequência de 2,4 GHz (normalmente para Wi-Fi ou Bluetooth), o efeito de superfície do cobre é de 1,33 μm. A prata tem 1,29 mícrons e o alumínio 1,67 mícrons. Portanto, a espessura das antenas feitas com esses materiais deve ser de pelo menos 5 mícrons para que eles funcionem efetivamente.

Mas quando se trata de minimizar dispositivos, essas dimensões não parecem mais tão pequenas, mas o contrário.

Os cientistas não se esqueceram da existência de uma tecnologia para a produção de fibras metálicas, mas esse método é muito demorado e caro. Portanto, precisamos de uma nova base para antenas que seja radicalmente diferente de seus antecessores, capaz de ser eficiente, rápido na produção e, é claro, barato. E essa base pode ser precisamente MXene.

Material para futura antena

Antenas de radiofrequência são geralmente feitas de metais, mas é extremamente difícil fabricar uma antena fina, leve e flexível a partir desse material. E lembramos que agora minimizar o tamanho dos dispositivos e seus detalhes é um dos pontos de desenvolvimento de qualquer tecnologia. O problema de tamanho e forma físicos pode ser resolvido por nanomateriais modernos, como grafeno, nanotubos de carbono e polímeros condutores. Mas esses materiais têm uma condutividade bastante baixa, o que limita bastante sua aplicação.

Se você não conseguir encontrar o material ideal dentre os disponíveis, você mesmo poderá criar um. É assim que os cientistas se foram. A base das novas antenas foi o carboneto de titânio bidimensional (TiC), que no relatório também tem outra designação - MXene * .

MXenes * - ou maksens é uma classe de compostos inorgânicos bidimensionais.

A base do MXene era o carboneto de titânio-alumínio (Ti ₃ AlC ₂ ), do qual a camada atômica de Al foi removida por ataque seletivo * .

A gravação seletiva * é um método para remover um componente específico de um sistema de substâncias.

Foi gradualmente adicionado 1 grama de pó de Ti3AlC2 a 10 ml de uma solução consistindo em 6 ml de ácido clorídrico, 3 ml de ácido fluorídrico a 49% e 1 ml de água desionizada. A mistura resultante foi colocada num banho de gelo (arrefecimento) durante 10 minutos e depois agitada continuamente durante 24 horas.

Após o processo de gravação, a mistura foi limpa 5 vezes por centrifugação (3500 rpm, 2 minutos cada corrida) até o pH atingir 7-6. Em seguida, o precipitado resultante foi adicionado a uma solução fria de cloreto de lítio (20%) e água (80%). Depois, mais 10 minutos em banho de resfriamento e 4 horas de agitação à temperatura ambiente.

Isso não é tudo. O próximo passo foi repetido a limpeza tripla para obter uma cor escura, que marca o início do processo de separação.

Assim, a substância base é sintetizada. Agora você precisa aplicá-lo a um substrato de PET (tereftalato de polietileno termoplástico) com 4 mil de espessura (1 mil = 1/1000 ″). O PET foi utilizado devido à sua flexibilidade e transparência.

Antes de aplicar o MXene ao substrato, ele precisava ser preparado. O substrato foi primeiramente limpo por ultrassom em uma solução de detergente Hellmanex III a 5% * por 3 minutos. Isto foi seguido por outra etapa da limpeza ultrassônica (também por 3 minutos), mas agora em água desionizada e em etanol 190 (95% de etanol puro não desnaturado e 5% de H2O).

Detergente * - uma substância com alta atividade superficial, portanto é usada para limpeza, desinfecção ou dissolução. Os meios pelos quais lavamos a louça podem ser chamados de detergente.

Posteriormente, o substrato foi seco usando ar comprimido e purificado por plasma de oxigênio por 5 minutos e um fluxo de O2 de 4 cm ³ / min. Isso tornou possível remover a contaminação residual e aumentar o grau de hidrofilicidade * da superfície.

Hidrofilicidade * - exagerada, a capacidade do objeto de absorver água. Uma esponja de banho é um excelente exemplo de hidrofilicidade. Por outro lado, há hidrofobicidade quando um objeto repele a água, como um guarda-chuva na chuva.


Hidrofilicidade como um exemplo de como uma esponja seca absorve água.

Como ferramenta para aplicar o MXene ao PET, tornou-se um pulverizador comum (pistola de pintura, para quem gosta de nomes mais distorcidos).

Resultados da pesquisa

Como resultado do processo de fabricação acima, foi obtida uma solução coloidal aquosa estável * com flocos de Ti ₃ C ₂ .

Uma solução coloidal * - na verdade, é algo entre uma solução verdadeira (homogênea) e uma solução dispersa grossa, quando pequenas partículas de uma das substâncias constituintes estão presentes nela.

Imagem Nº 1

A Figura 1a mostra esquematicamente os nanoflocos de Ti ₃ C _{2 acima} mencionados. Também são mostradas opções para aplicar esta substância a um substrato: filtração (filtração) e pulverização (pulverização). Neste estudo, é dada atenção à segunda opção para a criação de filmes que se tornarão a base de novas antenas. A espessura do filme não excederá 1,4 mícrons, se você aplicar a aplicação por pulverização. Se você aplicar a filtragem - mais de 1 mícron.

A vantagem da pulverização é que uma camada de Ti ₃ C ₂ com uma espessura da ordem de 1 µm pode ser depositada na superfície áspera do PET se o substrato for pré-tratado com plasma de oxigênio. A filtração não produz esses resultados quando aplicada ao PET.

A imagem 1b mostra fotografias de dipolos Hertz (tipo de antenas) do MXene com uma espessura de 62 nm (amostra na parte superior) e 1,4 μm (amostra na parte inferior).

1c é uma imagem SEM (microscópio eletrônico de varredura), onde podemos ver como os flocos de Ti ₃ C ₂ (linhas tracejadas vermelhas) são distribuídos na superfície do substrato (vista superior), bem como a camada MXene oculta o substrato (vista lateral).

A Figura 1d é o resultado da análise de difração de raios X de amostras criadas de duas maneiras: filtração a vácuo e pulverização. A linha preta é o filme após a filtração a vácuo, e a linha vermelha é após o tratamento térmico no vácuo a uma temperatura de 150 ° C. A linha tracejada preta é uma película de 1,4 μm após a pulverização e a linha tracejada vermelha após processamento adicional em vácuo a 150 ° C.

No caso da filtração, o tratamento a vácuo deslocou o pico (002) de 6,8 ° para 8,3 °. E no caso de pulverização - de ~ 5 ° a 6,1 °.

Um indicador extremamente importante de uma substância no contexto dos circuitos de radiofrequência é a resistência da superfície do filme. No gráfico 1e, podemos ver diferentes índices de resistência para diferentes espessuras de filme, obtidos por medições de resistência em quatro pontos. Quando a espessura do filme era de 1,4 μm, a resistência alcançava 0,77 ± 0,08 ohms por quadrado. Se o filme tivesse 62 nm de espessura, o resultado seria 47 ± 8 ohms por quadrado, e a transmitância da luz no comprimento de onda de 550 nm era de 49%.

Uma observação importante dessa análise é o fato de que a resistência aumenta ao atingir uma espessura de ≤100 nm. Segundo os pesquisadores, isso provavelmente se deve à descontinuidade das ligações entre os nanoflocos individuais de Ti ₃ C ₂ , devido à imprecisão da pulverização manual.


Amostra após o procedimento de pulverização.

Pesquisadores, e já estudamos as propriedades do material. O próximo passo é verificar a operacionalidade dos dispositivos criados com base no material fabricado pelo MXene.

Foram feitos três dispositivos para testar certos parâmetros:

• Dipolo Hertz para verificação das propriedades de radiação;
• linha de transmissão para verificação da propagação de ondas;
• Uma etiqueta RFID (identificação por radiofrequência) para estudar a retroespalhamento quando uma onda é refletida de volta à fonte.

Imagem No. 2

As antenas dipolo de meia onda são extremamente comuns em vários campos (radiodifusão, telefones celulares, conexões sem fio etc.) porque propagam ondas em todas as direções. Portanto, esse tipo de antena foi escolhido para testar as características das ondas.

A Figura 2a mostra um diagrama dessa antena feita a partir do MXene testado com uma frequência de 2,4 GHz. O comprimento total do dipolo é de 62 nm, que é metade do comprimento de onda nessa frequência de operação. Os principais indicadores analisados ​​foram as características de perda de retorno e radiação.

As taxas de perda de retorno variam de acordo com a espessura: de -12 decibéis a 114 nm a -65 decibéis a 8 μm. É claramente visto que a perda de retorno aumenta com o espessamento da antena. Os pesquisadores apontam para a relação entre essa tendência e a correlação de espessura e resistência da superfície, como discutido anteriormente. Note-se também que a perda de retorno pode depender diretamente de alterações na resistência devido a diferentes comprimentos, que diminuem quando a antena é mais fina. Novamente, isso se deve ao método manual de pulverização do MXene em um substrato.

2b são medições do coeficiente de reflexão (S ₁₁ ) de uma antena dipolo de várias espessuras (de 114 nm a 8 μm). As medições do coeficiente de onda estacionária, mostrando a eficiência com que a energia é transmitida à antena e a correspondência de impedâncias, são mostradas no gráfico 2c . Quadrados pretos são o MXene testado, círculos vermelhos são cobre e losangos azuis são alumínio.

A diretividade de radiação da antena dipolo foi medida em uma câmara anecóica especial, e a antena Vivaldi atuou como um receptor de sinal. Uma vista da sala de teste é mostrada na imagem 2d .


Um exemplo de uma antena Vivaldi.

No gráfico adjacente ( 2e ), já vemos o padrão de radiação da antena MXene com uma espessura de 8 μm. Finalmente, um gráfico 2f mostrando a diretividade máxima da antena MXene.

Os pesquisadores observam uma característica muito importante da nova antena, seu coeficiente de reflexão. Este indicador foi de -65 dB para uma antena com uma espessura de 8 μm, o que é muito melhor do que o das antenas de outros nanomateriais da espessura correspondente.

Mesmo com uma espessura de 1,4 μm, o coeficiente resultante (-36 dB) é melhor do que para antenas de 7 μm feitas de grafeno impresso, grafeno laminado ou tinta prata.


Imagem No. 3

Então, agora passamos a testar o segundo dispositivo, do material de teste à linha de transmissão. Isso é muito importante, pode-se dizer, o principal componente de vários dispositivos de RF. Eles são necessários para transmitir sinais de radiofrequência do ponto A ao ponto B com mínima perda de energia.

De toda a variedade de tipos de linhas de transmissão para teste, uma foi escolhida - um guia de ondas em tira. Nesse guia de ondas, as ondas eletromagnéticas se propagam ao longo de dois ou mais condutores localizados no mesmo plano. O layout e a aparência do guia de ondas são mostrados na imagem 3a . O sinal é transmitido ao longo do condutor central (1,7 μm de largura) e dois lados dele a uma distância de 0,5 μm são aterrados.

O teste foi realizado por guias de onda com uma espessura de 62 nm a 8 μm, bem como pelos sujeitos de teste anteriores - antenas dipolo. Com a diminuição da espessura, o coeficiente de atenuação aumentou, como pode ser visto no gráfico 3b . Mas o gráfico 3c mostra que os dados medidos coincidem quase completamente com os calculados antecipadamente.

A flexibilidade desse guia de ondas ( 3d ) também foi testada. Alterar a forma do guia de ondas não levou a alterações em suas características, o que torna o MXene um excelente material para dispositivos flexíveis e compactos. No entanto, com flexão constante, é observado um aumento na resistência da superfície em 14%, o que pode ser resolvido aplicando o método de centrifugação para depositar Ti ₃ C ₂ no substrato, o que permitirá uma distribuição mais uniforme dos nanoflocos na superfície.

Em seguida, os pesquisadores compararam os coeficientes de atenuação de sua criação com os criados anteriormente. Assim, a 1 GHz, o coeficiente de atenuação do MXene (1,4 μm) é 50 vezes menor que o de um guia de ondas de grafeno de 7,7 μm de espessura e 300 vezes menor que o de um guia de ondas de tinta prata. Detalhes da comparação podem ser vistos no gráfico 3e .

E, em conclusão, o terceiro dispositivo baseado em MXene, a etiqueta RFID, foi testado.


Imagem No. 4

4a mostra o diagrama e o princípio de operação da antena RFID. O gráfico 4b mostra as distâncias de leitura do downlink de três antenas RFID diferentes. Todas as três amostras exibem um alcance de leitura de 6 m. Ao atingir a impedância máxima de entrada correspondente do chip RFID, o alcance se expande para 8 m.

Os indicadores acima são extremamente encorajadores, mas o Ti ₃ C ₂ tem uma desvantagem importante - a oxidação. Os flocos de nanômetro Ti ₃ C ₂ são absolutamente estáveis ​​apenas em uma atmosfera inerte. Argônio (Ar) foi utilizado neste estudo. Se o filme entrar em um meio contendo oxigênio, ele começará a entrar em colapso lentamente. As medições mostraram que, por 70 horas, o Ti ₃ C ₂ mantém suas propriedades no ar comum. Isso se aplica a flocos individuais, individuais. Se houver muitos deles e formarem grupos, esse conjunto de nanoflocos poderá existir sem alterações negativas no ar por até 30 dias. Isso se deve à sua precisão, uma vez que eles são fortemente adjacentes um ao outro e protegem a parte interna da oxidação, prolongando assim sua vida útil.

Segundo os cientistas, no momento é possível resolver o problema da oxidação laminando peças à base de Ti ₃ C ₂ ou colocando-as dentro de dispositivos selados.

Detalhes de cálculos, testes e medições estão disponíveis no relatório dos cientistas e em materiais adicionais .

Epílogo

O material acima merece uma atenção especial, dadas as suas características, de acordo com testes e testes. Leveza, flexibilidade, tamanho pequeno e ao mesmo tempo bom desempenho são os fatores que podem atrair muitas empresas no futuro. Os dispositivos ao nosso redor estão ficando mais inteligentes, alguns deles estão ficando menores. Mudando o tamanho de algo, você espera uma deterioração em suas características. É por isso que muitos grupos de pesquisa estão trabalhando na criação de novos dispositivos, novas peças, buscando novos materiais ou em sua síntese. Tudo para que a produtividade das futuras tecnologias não dependa de suas características físicas ou do ambiente de seu uso.

Além disso, a “antena do atomizador” - a frase em si parece tão futurista quanto Isaac Asimov poderia ter imaginado. Mas nada surpreenderá os cientistas modernos. Pelo contrário, são eles que não deixam de nos surpreender, e não deixamos de nos surpreender e nos alegrar com suas descobertas, pois a maioria visa o bem comum.

Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a seus amigos, um desconto de 30% para os usuários da Habr em um análogo exclusivo de servidores básicos que inventamos para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de US $ 20 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD de 1Gbps até dezembro de graça quando pagar por um período de seis meses, você pode fazer o pedido aqui .

Dell R730xd 2 vezes mais barato? Somente nós temos 2 TVs Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 a partir de US $ 249 na Holanda e nos EUA! Leia sobre Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?