Antena u spreju

IoT zahteva sve tanje prenosive uređaje. Za njihovu komunikaciju neophodne su tanke, lagane i fleksibilne radio-frekventne (RF) antene. Današnje antene, napravljene od metala kao što su srebro, bakar ili aluminijum, ne ispunjavaju te zahteve. Zbog toga su pokrenuta mnoga istraživanja i projekti koji bi trebalo da dovedu do alternativnih rešenja

Osnovno pitanje je izbor odgovarajućeg materijala od koga će se praviti RF antene za IoT uređaje. U igri su nanomaterijali, kao što su grafen, ugljenikove nanocevi i provodni polimeri. S obzirom na lošu provodljivost ovih materijala, istraživanja nisu dala zadovoljavajuće rezultate. Dobra vest je da je na pomolu novo rešenje – ultratanka, laka i fleksibilna antena koja se u vidu spreja može nanositi na površinu bilo kakvog oblika.

MXene antena

Ideja o antenama koje će se na različite površine nanositi u obliku spreja nije nova. Još pre nekoliko godina američka kompanija za vojnu tehnologiju Cham Tech (Juta, SAD) razvila je sistem za nanošenje spreja na drveće i zidove zgrada kako bi ih pretvorila u antene za pojačanje mobilnih signala. Takve antene zamenile bi klasične mobilne antene u vidu tornjeva. Ipak, u ovom slučaju sve je ostalo samo na ideji.

Novo rešenje antena u spreju dolazi sa američkog Univerziteta Dreksel. Tim istraživača iz laboratorije Drexel Wireless Systems prikazao je nov način RF bežične komunikacije zasnovan na dvodimenzionalnom titanijum-karbidu. Kada se tom materijalu doda voda, dobije se rastvor koji može da se nanese četkicom ili u obliku spreja na bilo koju površinu. Sprej je vrlo tanak, čak i nevidljiv. Naučni rad ovog tima objavljen je u publikaciji Science Advances, a koautori su Asia Sarycheva, Alessia Polemi, Yuqiao Liu, Kapil Dandeker, Babak Anasori i Yury Gogotsi (inicijator projekta i vođa tima).

RF antena koja se nanosi u obliku spreja napravljena je od izuzetno tankog metaliziranog materijala (dvodimenzionalnog), poznatog pod nazivom MXene. Kao materijal s najvećom provodljivošću (u poređenju s drugim 2D materijalima), MXene je idealan za prenos i usmeravanje radio-talasa. Površina na koju se on nanosi pretvara se u ultratanku antenu, koja je vrlo pogodna za ugradnju u mobilne telefone, mobilne rutere, tablete, pametne satove, pametnu odeću i obuću, priveske za ključeve i druge IoT gadžete i uređaje.

Od baterije do antene

Istraživački tim Univerziteta Dreksel otkrio je familiju materijala MXene još 2011. godine. To je familija 2D metalnih karbida i nitrida sa formulom M<->n+1<->X<->n<->, gde je M metal (Ti, V, Nb, Mo), a X ugljenik ili azot. Iz familije MXene oni su odabrali titanijum-karbid (Ti<->3<->C<->2<->), koji je jači od metala, a isto tako dobar provodnik. Istraživanja su pokazala da je on odlično rešenje za zamenu metalnih elektroda u baterijama i superkondenzatorima. Osim visoke provodljivosti (5.000 do 10.000 S/cm), ima još tri vrlo bitne osobine: hidrofilan je (za razliku od grafena), vrlo je fleksibilan (može se oblikovati u bilo koju formu, istanjiti u potpuno ravnu površinu ili motati u rolnu), a ima i vrlo dobru kapacitivnost (900 F/cm<+>3<+>).

Zahvaljujući tim osobinama, 2014. godine tim sa Drekslera formirao je strukturu ovog materijala u obliku gline i iskoristio ga za izradu elektroda baterije. Postupak izrade vrlo je jednostavan i brz (potrebno je oko 10 minuta), a punjenje baterije obavljalo se za nekoliko sekundi. Zanimljivo je da pritom nije učinjeno ništa da se poboljšaju performanse materijala, one su ostale originalne i nepromenjene nakon 10.000 punjenja.

U najnovijim istraživanjima za izradu antena titanijum-karbid je u obliku praška koji se rastvara u vodi. On se sintetizuje iz Ti<->3<->AlC<->2<-> izdvajanjem aluminijuma pomoću kiselina na bazi fluorida. U praškastom obliku potapa se u dejonizovanu vodu, njegov pH se dovodi do neutralne vrednosti i stvara stabilan koloidni rastvor pogodan za nanošenje tankog sloja (filma) u obliku spreja. Treba naglasiti da, za razliku od drugih nanomaterijala koji zahtevaju aditive (veziva) i dodatne korake zagrevanja radi sinterovanja nanočestica, sa MXene-om antene se prave u jednom koraku – prskanjem spreja MXene mastila.

Rezultati i poređenja

Istraživački tim sa Univerziteta Dreksel radio je na 2D nanomaterijala sto hiljada puta tanjeg od vlasi čovekove kose, debljine samo nekoliko atoma, koji se mogu samosklapati i organizovati u provodni sloj (tanak film) na bilo kojoj površini. Najpre je testirao antene u spreju na hrapavoj površini (papir, celuloza) pa na glatkoj površini (polietilen tereftalat). Sledeći korak je traženje optimalnog načina primene na ostalim površinama, počev od stakla, pa do tkanina i kože.

Eksperimentišući koliko tanku antenu mogu da naprave, istraživači su došli do zaključka da MXene antena radi dobro pri debljini od nekoliko desetina nanometara, što je toliko tanko da je antena providna. Najtanja antena bila je 62 nm, oko hiljadu puta tanja od lista papira. U eksperimentima su se trudili da ostvare još bolji rezultat, pa su čak došli i do vrednosti od 8 nm, pri čemu je antena još uvek zadržala visoke performanse (98 odsto od maksimalnih).

Nakon testiranja izveden je zaključak da su performanse ovako tankih antena uporedive s drugim postojećim antenama. Treba naglasiti da se aktuelnim metodama za izradu metalnih antena ne mogu napraviti dovoljno tanke antene koje bi mogle da se primene na bilo kojoj površini.

Babak Anasori, jedan od koautora projekta, ističe da MXene antena nije samo prevazišla makro i mikro svet metalnih antena, već i performanse raspoloživih nanometarskih antena. Da bi bili sigurni da prednost MXene antena nije samo to što su izuzetno tanke, istraživači su testirali druge 2D antene novih materijala – grafen, srebrno mastilo i ugljenikove nanocevi. Pokazalo se da su u pogledu kvaliteta prenosa radio-talasa MXene antene 50 puta bolje od grafenskih, a 300 puta bolje od srebrnog mastila.

Potencijalna primena

Pravljenje tanjih i lakših antena oduvek je bio cilj naučnika i elektroinženjera. Ako se tome doda i mogućnost nanošenja MXene antena u obliku spreja na fleksibilne podloge, kao i činjenica da su one nevidljive, otvara se niz novih mogućnosti primene koje je u ovom trenutku teško i zamisliti. To znači da ove antene mogu da omoguće povezivanje praktično svih uređaja, uključujući i fleksibilnu i nosivu elektroniku. Na taj način su idealne za povezivanje IoT uređaja.

S obzirom na nevidljivost MXene antena, otvaraju se i brojne mogućnosti primene u vojnim i bezbednosnim sektorima. Posebno je atraktivna mogućnost skrivanja objekata. MXene zapravo pripada grupi tzv. metamaterijala. Oni imaju osobinu da provode specifične talase tako da se, nakon prolaska kroz njih, stvara utisak kao da talas nije naišao ni na kakvu prepreku, poput vode koja zaobilazi kamen koji joj se nađe na putu. To znači da prepreka bilo koje veličine, sačinjena od metamaterijala ili samo njime prekrivena, praktično nestaje, dok talas nastavlja svoj put. Ovo specifično ponašanje manifestuje se samo u interakciji s talasima određenih frekvencija (talasnih dužina). Na taj način se mikrotalasi uspešno preusmeravaju, pa metamaterijali imaju mogućnost da kriju pokretne i nepokretne objekte od radara i drugih uređaja koji ih emituju.

Autor: Nadežda Veljković