A antiga arte em papel 3D, kirigami, poderia remodelar a moderna tecnologia sem fio #ÚltimasNotícias

O futuro da tecnologia sem fio – desde o carregamento de dispositivos até o reforço dos sinais de comunicação – depende das antenas que transmitem ondas eletromagnéticas se tornarem cada vez mais versáteis, duráveis ​​e fáceis de fabricar. Pesquisadores da Universidade Drexel e da Universidade da Colúmbia Britânica acreditam que o kirigami, a antiga arte japonesa de cortar e dobrar papel para criar desenhos tridimensionais complexos, poderia fornecer um modelo para a fabricação da próxima geração de antenas.

Publicado recentemente na revista Comunicações da Naturezauma pesquisa da equipe Drexel-UBC mostrou como o kirigami – uma variação do origami – pode transformar uma única folha de acetato revestida com tinta condutora MXene em uma antena de micro-ondas 3D flexível cuja frequência de transmissão pode ser ajustada simplesmente puxando ou apertando para mudar ligeiramente sua frequência. forma.

A prova de conceito é significativa, de acordo com os pesquisadores, porque representa uma nova maneira de fabricar uma antena de maneira rápida e econômica, simplesmente revestindo tinta MXene aquosa em um material de substrato de polímero elástico transparente.

“Para que a tecnologia sem fio apoie avanços em campos como robótica leve e aeroespacial, as antenas precisam ser projetadas para desempenho ajustável e com facilidade de fabricação”, disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel, e coautor da pesquisa. “Kirigami é um modelo natural para um processo de fabricação, devido à simplicidade com que formas 3D complexas podem ser criadas a partir de uma única peça de material 2D.”

Antenas de micro-ondas padrão podem ser reconfiguradas eletronicamente ou alterando sua forma física. No entanto, adicionar os circuitos necessários para controlar eletronicamente uma antena pode aumentar sua complexidade, tornando a antena mais volumosa, mais vulnerável a mau funcionamento e mais cara de fabricar.

Por outro lado, o processo demonstrado neste trabalho conjunto aproveita a mudança da forma física e pode criar antenas em uma variedade de formas e formas complexas. Essas antenas são flexíveis, leves e duráveis, fatores cruciais para sua capacidade de sobrevivência em robótica móvel e componentes aeroespaciais.

Para criar as antenas de teste, os pesquisadores primeiro revestiram uma folha de acetato com uma tinta condutora especial, composta de carbeto de titânio MXene, para criar padrões seletivos de frequência. A tinta MXene é particularmente útil nesta aplicação porque sua composição química permite que ela adira fortemente ao substrato para uma antena durável e pode ser ajustada para reconfigurar as especificações de transmissão da antena.

MXenes são uma família de nanomateriais bidimensionais descobertos por pesquisadores da Drexel em 2011, cujas propriedades físicas e eletroquímicas podem ser ajustadas alterando ligeiramente sua composição química. Os MXenes têm sido amplamente utilizados na última década para aplicações que requerem materiais com comportamento físico-químico preciso, como blindagem eletromagnética, biofiltração e armazenamento de energia.

Eles também têm sido explorados para aplicações de telecomunicações há muitos anos devido à sua eficiência na transmissão de ondas de rádio e à sua capacidade de serem ajustados para bloquear seletivamente e permitir a transmissão de ondas eletromagnéticas.

Usando técnicas de kirigami, originalmente desenvolvidas no Japão nos séculos IV e V dC, os pesquisadores fizeram uma série de cortes paralelos na superfície revestida com MXene. Puxar as bordas da folha fez com que um conjunto de antenas ressonadoras quadradas saltasse de sua superfície bidimensional. A variação da tensão fez com que o ângulo do conjunto mudasse – uma capacidade que poderia ser implantada para ajustar rapidamente a configuração de comunicações das antenas.

Os pesquisadores montaram dois conjuntos de antenas kirigami para testes. Eles também criaram um protótipo de ressonador coplanar – componente usado em sensores que produz naturalmente ondas de uma determinada frequência – para mostrar a versatilidade da abordagem. Além de aplicações de comunicação, ressonadores e antenas reconfiguráveis ​​também poderiam ser usados ​​para detecção de tensão, segundo a equipe.

“Superfícies seletivas de frequência, como essas antenas, são estruturas periódicas que transmitem, refletem ou absorvem seletivamente ondas eletromagnéticas em frequências específicas”, disse Mohammad Zarifi, presidente principal de pesquisa, professor associado da UBC, que ajudou a liderar a pesquisa.

“Eles têm estruturas ativas e/ou passivas e são comumente usados ​​em aplicações como antenas, radomes e refletores para controlar a direção de propagação das ondas na comunicação sem fio em plataformas 5G e além.”

As antenas kirigami provaram ser eficazes na transmissão de sinais em três bandas de frequência de micro-ondas comumente usadas: 2-4 GHz, 4-8 GHz e 8-12 GHz. Além disso, a equipe descobriu que mudar a geometria e a direção do substrato poderia redirecionar as ondas de cada ressonador.

A frequência produzida pelo ressonador mudou em 400 MHz à medida que a sua forma foi deformada sob condições de tensão – demonstrando que poderia funcionar eficazmente como um sensor de tensão para monitorizar as condições de infraestruturas e edifícios.

Segundo a equipe, essas descobertas são o primeiro passo para a integração dos componentes em estruturas e dispositivos sem fio relevantes. Tendo como inspiração as inúmeras formas do kirigami, a equipe buscará agora otimizar o desempenho das antenas explorando novas formas, substratos e movimentos.

“Nosso objetivo aqui era melhorar simultaneamente a capacidade de ajuste do desempenho da antena, bem como criar um processo de fabricação simples para novos componentes de micro-ondas, incorporando um nanomaterial MXene versátil com designs inspirados no kirigami”, disse Omid Niksan, Ph.D., da Universidade de British Columbia, que foi o autor do artigo. “A próxima fase desta pesquisa irá explorar novos materiais e geometrias para as antenas”.