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美国莱斯大学开发出柔性碳纳米管薄膜天线：适用于5G与物联网

环球创新智慧
2019-06-12 23:53
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导读
据美国莱斯大学官网近日报道，该校研究人员的研究表明，由碳纳米管薄膜制成的天线，不仅在无线应用方面与铜制天线一样高效，而且更坚韧、更柔性，基本上可以涂到器件上。
背景
天线，是无线通信系统中非常关键的部件之一，通常用于发射和接收无线信号。传统的天线大多数是由金属例如铜制成。
然而，为了满足可穿戴设备、植入式设备、航空航天等新应用的需要，科学家们正在利用石墨烯、二维材料、碳纳米管等新型材料开发出更具柔性、更轻、更低成本的新型天线。

石墨烯基近场通信天线（图片来源：Graphene Flagship）

由MXene喷涂而成的天线（图片来源： 德雷塞尔大学）

由碳纳米管纤维制成的天线（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）
创新
根据美国莱斯大学布朗工程学院研究人员的说法，由碳纳米管薄膜制成的天线，不仅在无线应用方面与铜制天线一样高效，而且更坚韧、更柔性，基本上可以涂到器件上。
莱斯大学化学与生物分子学实验室工程师马提欧·帕斯夸里（Matteo Pasquali）测试了由“剪切对齐”的纳米管薄膜组成的天线。研究人员发现，这种导电薄膜不仅可以匹配常用铜薄膜的性能，还还以做得更薄以便更好地处理更高的频率。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）
《应用物理快报（Applied Physics Letters）》期刊中详细介绍的成果，推进了该实验室之前关于碳纳米管纤维基天线的研究工作。
技术
论文领导作者阿姆拉姆·本吉奥（Amram Bengio），在美国国家标准与技术研究院（NIST）位于科罗拉多州波尔得市的设施，领导了该实验室的剪切对齐的天线的测试。本吉奥在帕斯夸里的实验室供读博士学位期间展开了这项研究并撰写了论文。因此，他创办了一家公司以进一步开发这种材料。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）
在5GHz、10GHz、14GHz的目标频率下，这种天线可以轻易地与相应的金属天线保持一致。他说：“我们将要实现的频率，如今尚未在Wi-Fi和蓝牙网络中应用，但是将要应用于即将到来的5G天线。”
本吉奥表示，其他研究人员争辩道，基于碳纳米管的天线以及它们的内在特性阻碍了它们遵守“辐射效率与频率之间的经典关系”。但是，莱斯大学通过更精制的薄膜证明了他们是错误的，并允许进行一一比较。
为了制造这些薄膜，莱斯大学实验室在酸性溶液中溶解了纳米管，它们大多数是单壁的，长度达8微米。当扩散到表面时，产生的剪切力促使纳米管自对齐。这种现象已被帕斯夸里的实验室应用于其他研究。
本吉奥表示，尽管气相沉积作为一种分批加工的方法，广泛地应用于金属的微量沉积，但是液相处理方法却有助于实现更具可扩展性且持续的天线制造。
这种测试薄膜的尺寸大约相当于载玻片，厚度在1微米到7微米之间。纳米管通过具有强烈吸引作用的范德华力结合在一起，使得材料机械特性比铜要好得多。
价值
研究人员表示，这种新型天线不仅适合未来的5G网络，而且适用于飞机，特别是无人机（对于它来说重量是一个考虑因素）；它也适合井下油气勘探的无线遥测入口；此外，它还适合未来的“物联网”应用。
本吉奥表示：“由于电磁波通过空间的物理原理的限制，所以就这一点而言，我们无法改变任何东西。然而，我们正在设法改变的是制造所有这些天线的材料，它们将比铜更轻、更强、更耐受一系列不利环境。”
帕斯夸里表示：“这是一个很好的例子，说明了与国家实验室的合作如何极大地拓展大学课题组的影响范围。没有NIST团队的智力参与和实验能力，我们将永远无法完成这项工作。”

我敢保证过几年这种新的镜面涂层也会出现在我国的战机上。