NatComm: Киригами поможет усовершенствовать антенны для беспроводных технологий

Будущее беспроводных технологий – от зарядки наших гаджетов до усиления сигналов связи – зависит от антенн, которые передают электромагнитные волны. Эти антенны становятся всё более универсальными, прочными и простыми в изготовлении.

Учёные из Университета Дрекселя и Университета Британской Колумбии предложили использовать для создания антенн будущего древнее японское искусство киригами. Киригами – это вырезание и складывание бумаги для получения сложных трёхмерных конструкций. Исследователи считают, что метод может стать основой для производства антенн нового поколения. Это будет настоящий прорыв в науке и технике.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Учёные из университетов Дрекселя и Британской Колумбии нашли необычный способ сделать гибкую трёхмерную антенну для микроволн. Для этого они использовали киригами — это вид искусства, похожий на оригами, когда из бумаги складывают разные фигуры.

В качестве материала учёные взяли лист ацетата, покрытый специальными проводящими чернилами MXene. Киригами позволило превратить этот лист в необычную антенну, которая может менять свою форму. При этом меняется и частота передачи антенны. Это происходит, потому что форма антенны влияет на её электрические свойства.

Получается, что антенной можно управлять: достаточно немного изменить её форму, потянув или сжав, чтобы настроить частоту передачи. Это очень удобно и открывает новые возможности для создания антенн.

Исследователи придумали новый способ делать антенны. Это быстро и недорого. Нужно просто нанести водные чернила MXene на гибкий прозрачный полимерный материал.

Беспроводные технологии важны для прогресса в таких областях, как мягкая робототехника и аэрокосмическая промышленность. Антенны должны быть просты в изготовлении и легко настраиваться.

Киригами — это простая модель производственного процесса, — говорит Юрий Гогоци, профессор университета и соавтор исследования.

Из одного плоского куска материала можно создать сложные трёхмерные формы.

Обычно, чтобы перенастроить микроволновую антенну, используют либо электронику, либо меняют её форму.

Добавление электронных схем для управления антенной может привести к тому, что антенна станет более сложной, громоздкой и дорогой в производстве. Кроме того, она будет уязвима к сбоям.

В этой работе учёные показали другой способ перенастройки антенны — с помощью изменения её формы. Это позволяет создавать антенны самых разных форм и очертаний. Они получаются гибкими, лёгкими и прочными, а это очень важно для подвижных роботов и аэрокосмических компонентов.

Исследователи придумали, как сделать тестовые антенны. Сначала они нанесли на лист ацетата специальные чернила, которые проводят ток. Эти чернила сделаны из необычного материала — карбида титана под названием MXene.

Благодаря этим чернилам на листе получились узоры, которые могут выбирать, какие частоты радиоволн пропускать. У этих чернил есть ещё два важных свойства:

1. Они крепко держатся на подложке, поэтому антенна будет долговечной.
2. Состав чернил можно менять, чтобы антенна по-разному передавала сигнал.

MXenes — это группа удивительных материалов, которые были открыты учёными из Drexel в 2011 году. Они похожи на тонкие листы бумаги, но при этом обладают необычными свойствами.

Самое интересное, что свойства MXenes можно менять, если немного изменить их химический состав. Это как волшебная палочка, которая может превратить один материал в другой!

За последние десять лет эти материалы стали очень популярными. Их используют там, где нужны материалы с особыми свойствами, например:

• для защиты от электромагнитных волн;
• чтобы очищать воду от вредных веществ;
• для хранения энергии.

А ещё они уже много лет помогают нам общаться по телефону и интернету. Благодаря своим свойствам, они отлично передают радиоволны и могут блокировать или пропускать электромагнитные волны.

Исследователи использовали технику киригами, которая была создана в Японии ещё в IV и V веках нашей эры. Они сделали несколько параллельных надрезов на поверхности MXene.

Если потянуть за края листа, то из него можно вытащить квадратную антенну. При этом, если натяжение листа меняется, то антенна будет менять угол наклона. Это позволяет быстро настраивать антенны.

Исследователи собрали две такие антенны для тестирования. Также они создали прототип копланарного резонатора — это такой компонент, который используется в датчиках и создаёт волны определённой частоты. Так исследователи показали, что их подход можно использовать для разных целей.

По словам команды, резонаторы и перенастраиваемые антенны могут использоваться не только для связи, но и для других устройств, например, тензодатчиков.

Частотно-избирательные поверхности, такие как антенны — это особые структуры, которые могут выборочно передавать, отражать или поглощать электромагнитные волны в зависимости от их частоты.

Эти поверхности бывают активными и пассивными и широко используются в разных устройствах: антеннах, радарах и отражателях. Они помогают управлять распространением волн в беспроводной связи на современных платформах, таких как 5G и выше.

Антенны киригами могут передавать сигналы в трёх разных диапазонах частот. Эти диапазоны используются довольно часто: 2–4 ГГц, 4–8 ГГц и 8–12 ГГц.

Также учёные выяснили, что если изменить геометрию и направление подложки, то можно перенаправлять волны от каждого резонатора.

Частота резонатора меняется на 400 МГц, когда его форма деформируется. Это значит, что резонатор может работать как датчик деформации. С его помощью можно следить за состоянием зданий и инфраструктуры.

Команда исследователей сделала важный шаг к созданию новых устройств. Они разработали компоненты, которые можно будет интегрировать в различные структуры и беспроводные устройства.

Учёных вдохновило киригами, и теперь они хотят улучшить работу антенн, экспериментируя с их формой, материалом основы и движением.

Омид Никсан, один из авторов статьи и доктор философии из Университета Британской Колумбии, рассказал о целях исследования:

Мы хотели сделать характеристики антенны более регулируемыми и создать простой процесс производства новых микроволновых компонентов. Для этого мы использовали универсальный наноматериал MXene и дизайн, вдохновлённый киригами. В дальнейшем мы планируем изучить новые материалы и формы для антенн.

14.10.2024