Графическая абстракция. Фото: Материалы сегодня (2024 г.). DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013
Исследователи из Университета Дрекселя и Университета Британской Колумбии пытаются облегчить задачу, создав и протестировав волновод из напечатанных на 3D-принтере полимеров, покрытых проводящим наноматериалом под названием MXene.
В своей статье, недавно опубликованной в журнале Materials Today , группа сообщила о потенциале использования покрытий MXene для придания легким непроводящим компонентам электропроводности — свойства, которым жертвуют при аддитивном производстве с использованием полимерных материалов, таких как пластики.
«В космических полетах важен каждый лишний грамм веса», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор Баха в Инженерном колледже Дрекселя, который является лидером в исследованиях MXene. «Материалы MXene обеспечивают одно из самых тонких возможных покрытий — их чешуйки имеют толщину в несколько атомов — и могут создавать проводящую поверхность, поэтому мы видим большой потенциал в использовании MXenes для обработки компонентов, изготовленных аддитивным способом из полимеров, имеющих сложную форму ».
Волноводы функционируют как трубопроводы для микроволн. Они направляют волны на приемники, сохраняя при этом мощность сигнала. В микроволновой печи волноводы обеспечивают нагрев пищи; на спутнике они передают высококачественные сигналы между различными объектами внутри и между спутниками, а также между спутниками и Землей.
И, подобно сложной сети труб, проходящих через дом, волноводы имеют различные формы, чтобы вписаться в ограниченное пространство. Они могут варьироваться от простых прямых каналов до таких сложных структур, как лабиринт.
«Волноводы могут быть такими же простыми, как прямой прямоугольный канал, или они могут трансформироваться в формы, напоминающие «сумасшедшую соломинку», с изгибами и изгибами», — сказал Мохаммад Зарифи, доцент, изучающий микроволновую связь в Университете Британской Колумбии и руководил работой команды по электротехнике и проектированию. «Однако настоящим переломным моментом стало появление методов аддитивного производства , которые позволяют создавать более сложные конструкции, которые сложно производить из металлов».
В качестве примитивного «волновода» можно использовать практически любую полую трубку, но те, которые передают электромагнитные волны — например, в микроволновых печах и телекоммуникационных устройствах — должны быть изготовлены из проводящего материала, чтобы сохранить качество передачи. Эти волноводы обычно изготавливаются из таких металлов, как серебро, латунь и медь. Для спутников алюминий является более легким выбором.
Исследователи из Дрекселя, которые впервые обнаружили MXenes в 2011 году и с тех пор руководят исследованиями и разработками, предположили, что 2D-наноматериалы будут хорошим кандидатом в качестве покрытия для компонентов пластиковых волноводов, основываясь на их предыдущих открытиях о том, что MXenes могут блокировать и направлять электромагнитные волны. радиация .
«Наше покрытие MXene стало сильным кандидатом для этого применения, поскольку оно обладает высокой проводимостью, действует как электромагнитный экран и может быть получено простым погружением волновода в MXenes, диспергированные в воде», — сказал Линъи Би, доктор философии. кандидат от группы Гогоци. «Были протестированы и другие краски типа «металлик», но из-за химических веществ, используемых для стабилизации их металлических компонентов, их проводимость хуже, чем у MXenes».
Кроме того, исследователи сообщили, что покрытие MXene исключительно хорошо сцепляется с напечатанными на 3D-принтере нейлоновыми волноводами благодаря совместимости их химических структур. Команда покрыла легкие направляющие различной формы и размера — прямые, изогнутые, скрученные и в форме резонатора — чтобы проверить способность MXene полностью покрыть их внутреннюю часть.
Нейлоновые волноводы с покрытием MXene весят примерно в восемь раз меньше стандартных алюминиевых, используемых в настоящее время, а покрытие MXene добавило всего лишь десятую часть грамма к общему весу компонентов.
Самое главное, что волноводы MXene работали почти так же хорошо, как и их алюминиевые аналоги, показывая эффективность 81% при проведении электромагнитных волн между двумя выводами всего за один цикл нанесения покрытия погружением, что всего на 2,3% ниже, чем у алюминия. Исследователи продемонстрировали, что они могут улучшить этот показатель передачи, варьируя слои покрытия или размер чешуек MXene, достигая максимальной эффективности передачи 95%.
Эти характеристики сохранялись стабильными, когда передача была настроена на различные диапазоны частот, например те, которые в настоящее время используются в спутниковой связи на низкой околоземной орбите, и при достаточно высокой входной мощности для этих передач. За три месяца оно также существенно не ухудшилось, что является показателем долговечности покрытия.
«Волноводы с покрытием MXene еще должны пройти обширные испытания и быть сертифицированы для использования в космосе, прежде чем их можно будет использовать на спутниках», — сказал Роман Рахманов, докторант Drexel, принимавший участие в исследовании. «Но это открытие может стать важным шагом на пути к следующему поколению космических технологий ».
Команда Гогоци планирует продолжить исследование покрытий MXene в приложениях, которые могут получить выгоду от альтернативы металлическим компонентам.
«Эти многообещающие результаты позволяют предположить, что компоненты с покрытием MXene могут стать жизнеспособной и легкой заменой волноводов, используемых в космосе», — сказал Гогоци. «Мы считаем, что покрытия также могут быть оптимизированы для передачи различных частот и применяться к различным полимерным компонентам, изготовленным аддитивным или литьевым формованием, обеспечивая легкую и недорогую альтернативу металлам в ряде наземных применений. "
Дополнительная информация: Омид Никсан и др., MXene проводит микроволны через трехмерные полимерные структуры, Materials Today (2024). DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013
Предоставлено Университетом Дрекселя