无线技术的未来——从充电设备到增强通信信号——依赖于传输电磁波的天线变得越来越通用、耐用和易于制造。德雷塞尔大学和英属哥伦比亚大学的研究人员认为，日本古代剪纸和折叠纸的艺术可以为制造下一代天线提供一个模型。
最近发表在《自然通讯》杂志上的Drexel-UBC团队的研究表明，kirigami（折纸的一种变化）可以将单层涂有导电MXene墨水的醋酸盐转变为柔性的3D微波天线，其传输频率可以通过简单的拉伸或挤压来调整其形状。
根据研究人员的说法，这一概念的证明意义重大，因为它代表了一种快速、经济地制造天线的新方法，只需将含水的MXene油墨涂在透明的弹性聚合物基板材料上。
“为了让无线技术支持软机器人和航空航天等领域的进步，天线需要设计成可调的性能，并且易于制造，”德雷克塞尔工程学院杰出大学和巴赫教授Yury Gogotsi博士说，他是这项研究的合著者。“Kirigami是制造过程的自然模型，因为简单，复杂的3D形式可以从单个2D材料中创建出来。”
标准的微波天线可以通过电子或改变其物理形状来重新配置。然而，增加必要的电路以电子方式控制天线会增加其复杂性，使天线体积更大，更容易发生故障，制造成本更高。
相比之下，在这项联合工作中展示的过程利用了物理形状的变化，可以创建各种复杂形状和形式的天线。这些天线灵活、轻便、耐用，这是它们在可移动机器人和航空航天部件上生存的关键因素。
为了制造测试天线，研究人员首先在一张醋酸盐片上涂上一种特殊的导电墨水，这种墨水由碳化钛MXene组成，以产生频率选择图案。MXene油墨在这种应用中特别有用，因为它的化学成分使其能够牢固地粘附在衬底上，从而形成耐用的天线，并且可以调整以重新配置天线的传输规格。
MXenes是Drexel研究人员在2011年发现的一种二维纳米材料，其物理和电化学特性可以通过稍微改变其化学成分来调节。在过去十年中，MXenes已广泛用于需要具有精确物理化学行为的材料的应用，例如电磁屏蔽，生物过滤和能量存储。
由于它们在传输无线电波方面的效率，以及它们能够被调整以选择性地阻止和允许电磁波的传输，因此多年来它们也被探索用于电信应用。
研究人员使用最初于公元4世纪和5世纪在日本开发的kirigami技术，在镀有mxene的表面上进行了一系列平行切割。拉动薄片的边缘会触发一组方形谐振器天线从其二维表面弹起。改变张力会导致阵列的角度发生变化，这种能力可以用来快速调整天线的通信配置。
研究人员组装了两个kirigami天线阵列进行测试。他们还创造了一个共面谐振器的原型，这是一种用于传感器的组件，可以自然地产生一定频率的波，以展示该方法的多功能性。该团队表示，除了通信应用之外，谐振器和可重构天线也可用于应变传感。
“频率选择表面，就像这些天线一样，是周期性结构，可以选择性地传输、反射或吸收特定频率的电磁波，”UBC大学副教授、首席研究主席穆罕默德·扎里菲（Mohammad Zarifi）说。他帮助领导了这项研究。
“它们具有主动和/或被动结构，通常用于天线、天线罩和反射器等应用，以控制5G及以上平台无线通信中的波传播方向。”
事实证明，kirigami天线可以有效地在3个常用的微波频段（2-4千兆赫、4-8千兆赫和8-12千兆赫）传输信号。此外，研究小组发现，改变衬底的几何形状和方向可以改变来自每个谐振器的波的方向。
谐振器产生的频率随着其形状在应变条件下的变形而移动了400 MHz，这表明它可以有效地作为监测基础设施和建筑物状况的应变传感器。
据该团队称，这些发现是将这些组件集成到相关结构和无线设备上的第一步。以kirigami的无数形式为灵感，该团队现在将通过探索新的形状、基板和运动来寻求优化天线的性能。
“我们的目标是同时提高天线性能的可调性，并通过将多功能MXene纳米材料与kirigami设计相结合，为新的微波元件创造一个简单的制造过程，”来自不列颠哥伦比亚大学的Omid Niksan博士说，他是该论文的作者之一。“这项研究的下一阶段将探索天线的新材料和几何形状。”
更多信息：Omid Niksan等人，基于mxene的kirigami设计：展示微波状态下可重构的频率选择性，Nature Communications（2024）。DOI: 10.1038/s41467-024-51853-1期刊信息：自然通讯由Drexel大学提供引文：古代3D纸艺术，kirigami，可以重塑现代无线技术（2024年，10月14日）检索自2024年10月14日https://techxplore.com/news/2024-10-ancient-3d-paper-art-kirigami.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
