El futuro de la tecnología inalámbrica -desde cargar dispositivos hasta aumentar las señales de comunicaciones- depende de antenas que transmiten ondas electromagnéticas a medida que se vuelven cada vez más versátiles, duraderas y fáciles de fabricar. Investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad de Columbia Británica creen que el kirigami, el antiguo arte japonés de cortar y doblar papel para crear diseños tridimensionales complejos, puede proporcionar un modelo para construir la próxima generación de antenas.
Publicado recientemente en la revista Dr. comunicación de la naturalezaLa investigación del equipo de Drexel-UBC muestra cómo el kirigami (una variación del origami) puede transformar una sola hoja de acetato recubierta con tinta conductora MXene en una antena de microondas 3D flexible cuya frecuencia de transmisión se puede ajustar simplemente tirando o apretando su forma.
Según los investigadores, la prueba de concepto es importante, ya que representa una nueva forma de fabricar una antena de forma rápida y rentable recubriendo una tinta MXene acuosa sobre un material de sustrato de polímero elástico transparente.
“Para que la tecnología inalámbrica respalde los avances en campos como la robótica blanda y la industria aeroespacial, las antenas deben diseñarse para un rendimiento sintonizable y fáciles de fabricar”, afirmó Yuriy Gogotsy, PhD, profesor de Bach en la Distitaining University y Drexel College of Engineering y co -autor del estudio. “Kirigami es un modelo natural para un proceso de fabricación, debido a la simplicidad con la que se pueden crear formas 3D complejas a partir de un único material 2D”.
Las antenas de microondas estándar se pueden reconfigurar electrónicamente o cambiando su forma física. Sin embargo, agregar los circuitos necesarios para controlar electrónicamente una antena puede aumentar su complejidad, haciendo que la antena sea más grande, más propensa a errores y más costosa de fabricar. Por el contrario, el proceso demostrado en este trabajo conjunto facilita la modificación de la forma física y puede producir antenas de diversas formas y tamaños complejos. Estas antenas son flexibles, livianas y duraderas, factores importantes para su capacidad de supervivencia en componentes robóticos y aeroespaciales en movimiento.
Para construir la antena de prueba, los investigadores primero cubrieron una lámina de acetato con una tinta conductora especial compuesta de carburo de titanio MXene para crear un patrón selectivo de frecuencia. La tinta MXene es particularmente útil en esta aplicación porque su estructura química le permite adherirse fuertemente al sustrato para una antena duradera y se puede ajustar para reconfigurar las especificaciones de transmisión de la antena.
Los MXenes son una familia de nanomateriales bidimensionales descubiertos por investigadores de Drexel en 2011 cuyas propiedades físicas y electroquímicas se pueden ajustar cambiando ligeramente su composición química. Los MXenes se han utilizado ampliamente en la última década para aplicaciones que requieren materiales con comportamiento fisicoquímico específico, como blindaje electromagnético, biofiltración y almacenamiento de energía. También se han buscado para aplicaciones de telecomunicaciones durante muchos años debido a su capacidad para transmitir ondas de radio y su capacidad para ajustarse para bloquear selectivamente y permitir la transmisión de ondas electromagnéticas.
Utilizando la técnica del kirigami, desarrollada originalmente en Japón en los siglos IV y V, los investigadores realizaron una serie de cortes paralelos en la superficie recubierta de MXene. Al tirar del borde de la lámina, el resonador de forma cuadrada surge de la superficie bidimensional de la antena. Cambiar la excitación hace que cambie el ángulo del conjunto, una capacidad que se puede implementar para ajustar rápidamente la configuración de contacto de la antena.
Los investigadores ensamblaron dos conjuntos de antenas kirigami para realizar pruebas. También construyeron un prototipo de resonador coplanar (un componente utilizado en sensores que produce naturalmente ondas de una frecuencia específica) para demostrar la versatilidad del método. Además de las aplicaciones de comunicación, según el equipo, también se pueden utilizar resonadores y antenas sintonizables para detectar tensiones.
“Las superficies selectivas de frecuencia, como estas antenas, son estructuras periódicas que transmiten, reflejan o absorben selectivamente ondas electromagnéticas en frecuencias específicas”, dijo Mohammad Zarifi, director principal de investigación y profesor asociado de la UBC, quien dirigió la investigación. “Tienen estructuras activas y/o pasivas y se utilizan comúnmente en aplicaciones como antenas, radomos y reflectores para controlar la dirección de propagación de ondas en comunicaciones inalámbricas en plataformas 5G y más allá”.
Las antenas Kirigami han demostrado ser eficaces para transmitir señales en tres bandas de frecuencia de microondas de uso común: 2-4 GHz, 4-8 GHz y 8-12 GHz. Además, el equipo descubrió que cambiar la geometría y la orientación del sustrato podría redirigir las ondas de cada resonador.
La frecuencia producida por el resonador cambió 400 MHz a medida que su forma se deformaba en condiciones de tensión, lo que demuestra que puede actuar eficazmente como un sensor de tensión para monitorear el estado de infraestructuras y edificios.
Según el equipo, estos hallazgos son un primer paso hacia la integración de los componentes en estructuras y dispositivos inalámbricos relevantes. Tomando como inspiración las innumerables formas del kirigami, el equipo ahora buscará optimizar el rendimiento de la antena explorando nuevas formas, capas y movimientos.
“Nuestro objetivo aquí era desarrollar un proceso de fabricación simple para nuevos componentes de microondas mediante la incorporación de un nanomaterial MXene versátil con un diseño inspirado en el kirigami y al mismo tiempo mejorar la capacidad de sintonización del rendimiento de la antena”, dijo Omid Niksan, PhD, de la Universidad de Columbia Británica. quien fue el autor del artículo. “La siguiente fase de esta investigación explorará nuevos materiales y geometrías para la antena”.