Las nuevas antenas tan delgadas que se pueden aplicar con un spary también son lo suficientemente robustas para proporcionar una señal fuerte en anchos de banda que serán utilizados por dispositivos móviles de quinta generación (5G). Los resultados de rendimiento de las antenas, que están hechas de un nuevo tipo de material bidimensional llamado MXene, fueron reportados recientemente por investigadores de la Universidad de Drexel y podrían tener ramificaciones para la tecnología de Internet de las cosas (IoT) móvil, portátil y conectada.

Las antenas MXene, que han estado en desarrollo en Drexel durante poco más de dos años , ya están funcionando casi tan bien como las antenas de cobre que se encuentran en la mayoría de los dispositivos móviles en el mercado hoy en día, pero con la ventaja de ser solo una fracción de su grosor y peso.

 

«Esta combinación de rendimiento de comunicaciones con extrema delgadez, flexibilidad y durabilidad establece un nuevo estándar para la tecnología de antenas», dijo Yury Gogotsi, PhD , Distinguished University y profesor de Bach de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería de Drexel , quien es el autor principal de un artículo sobre las antenas MXene publicado recientemente en la revista Advanced Materials . 

“Si bien las antenas de cobre han sido las mejores en términos de rendimiento durante bastante tiempo, sus limitaciones físicas han impedido que la tecnología conectada y móvil dé los grandes avances que muchos han predicho. Debido a su conjunto único de características, las antenas MXene podrían desempeñar un papel habilitador en el desarrollo de la tecnología IoT «.

El MXene es un material que se puede aplicar con spray

Más allá de alcanzar las capacidades de rendimiento, las antenas para los dispositivos del futuro también deben poder funcionar bien en una variedad de entornos fuera de las placas de circuitos de teléfonos y computadoras. Según Gogotsi, esto hace que MXene sea un material atractivo para antenas nuevas porque se puede aplicar con spray, serigrafiar o imprimir con inyección de tinta sobre casi cualquier sustrato y permanece flexible sin sacrificar el rendimiento.

«Generalmente, las matrices de antenas de cobre se fabrican grabando placas de circuito impreso, este es un proceso difícil de realizar en un sustrato flexible», dijo Meikang Han, PhD , investigador postdoctoral en el Instituto de Nanomateriales AJ Drexel que contribuyó a la investigación «. 

Esto coloca a MXene en una clara ventaja porque se dispersa en agua para producir una tinta, que se puede rociar o imprimir en las paredes de los edificios o sustratos flexibles para crear antenas.

En el artículo, Gogotsi y sus colaboradores, incluidos el profesor Gary Friedman, PhD , y Kapil Dandekar, PhD , E. Warren Colehower Catedrático del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informáticaen la Facultad de Ingeniería de Drexel, informó sobre el rendimiento de tres juegos de antenas MXene recubiertas con spray, que eran entre 7 y 14 veces más delgadas y entre 15 y 30 veces más ligeras que una antena de cobre similar, incluso más delgadas que una capa de pintura. Probaron las antenas tanto en laboratorio como en entornos abiertos para medir el rendimiento clave de la eficiencia con la que la antena convierte la energía en ondas dirigidas: ganancia, eficiencia de radiación y directividad. Y realizaron las pruebas en las tres frecuencias de radio comúnmente utilizadas para las telecomunicaciones, incluida una en la frecuencia de operación objetivo para dispositivos 5G.

En cada caso, las antenas MXene funcionaron dentro del 5% de las antenas de cobre, y el rendimiento aumentó con el grosor de la antena. La antena de parche MXene de mejor rendimiento, aproximadamente una séptima parte del grosor de las antenas de cobre estándar, era un 99% más eficiente que una antena de cobre que operaba a una frecuencia de 16,4 GHz en un entorno abierto. Los MXenes también fueron 98% más efectivos que sus contrapartes de cobre que operan en el ancho de banda 5G.

Su rendimiento superó el de varios otros materiales nuevos que se están considerando para antenas, incluida la tinta plateada, los nanotubos de carbono y el grafeno. Y, de manera significativa, estos números de rendimiento no se perdieron cuando las antenas MXene se sometieron a hasta 5,000 ciclos de flexión, una marca de durabilidad que supera con creces a los materiales de sus pares.

“La escalabilidad y la sostenibilidad medioambiental de MXene en la fabricación ha sido bien establecida, para que este material alcance ahora los objetivos de rendimiento al mismo ritmo que los mejores materiales del mercado actual es sin duda un avance significativo”, dijo Gogotsi. «A medida que continuamos probando varios patrones y técnicas de recubrimiento mientras optimizamos adicionalmente la composición de los materiales MXene, espero que su desempeño continúe mejorando». 

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation, los National Institutes of Health y Murata Manufacturing, Co. Además de Gogotsi, Friedman, Dandekar y Han, Yuqiao Liu, Roman Rakhmanov y Md Abu Saleh Tajin de Drexel; Christopher Israel y Ahmad Hoorfar, de la Universidad de Villanova, y Vladimir Volman, experto en antenas retirado de Lockheed Martin Co., contribuyeron a esta investigación.

 

El documento completo está disponible aquí: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003225 

 

Las antenas en spray de Drexel podrían ser el conector tecnológico del futuro

 

La promesa de los wearables, los tejidos funcionales, la Internet de las cosas y su cohorte tecnológica de «próxima generación» parece tentadoramente al alcance de la mano. Pero los investigadores en el campo le dirán que la razón principal de su «llegada» retrasada es el problema de la integración perfecta de la tecnología de conexión, es decir, las antenas, con «cosas» flexibles y que cambian de forma.

«Un gran avance de los investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel ahora podría hacer que la instalación de una antena sea tan fácil como aplicar un repelente de insectos».

En una investigación publicada ya en 2018 en Science Advances , el grupo informaba sobre un método para rociar antenas delgadas e invisibles, hechas de un tipo de material metálico bidimensional llamado MXene, que funcionan tan bien como las que se utilizan en dispositivos móviles, enrutadores inalámbricos y portátiles o transductores. 

«Este es un hallazgo muy emocionante porque hay mucho potencial para este tipo de tecnología», dijo Kapil Dandekar, PhD , profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Facultad de Ingeniería, quien dirige el Laboratorio de Sistemas Inalámbricos de Drexel , y fue coautor de la investigación. “La capacidad de rociar una antena sobre un sustrato flexible o hacerlo ópticamente transparente significa que podríamos tener muchos lugares nuevos para configurar redes: hay nuevas aplicaciones y nuevas formas de recopilar datos que ni siquiera podemos imaginar en el momento.«

 

Fuente: Drexel University