UBC奧肯納根研究人員創(chuàng)造了新的化合物來改變太空衛(wèi)星通信的方式

南極熊導(dǎo)讀：聚合物增材制造雖然具有成本和重量相關(guān)的優(yōu)勢，但這種材料通常無法滿足某些性能要求，如高導(dǎo)電性。在航空航天技術(shù)中，特別是在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，高導(dǎo)電性是不可或缺的，這限制了聚合物增材制造在某些應(yīng)用領(lǐng)域的使用。

△MXene涂層聚合物組件可以替代金屬3D打印部件，大大降低太空以及各種地面應(yīng)用的重量和成本

2024年3月4日，南極熊獲悉，UBC奧肯那根（Okanagan）工程學(xué)院的研究人員與德雷克塞爾大學(xué)合作，開發(fā)了一種輕質(zhì)復(fù)合材料。通過將一種稱為MXenes的二維化合物與聚合物相結(jié)合，可以用作金屬對應(yīng)物的替代品，并且可以極大地改進(jìn)通信技術(shù)，包括天線、波導(dǎo)和濾波器等元件。

△通信示意圖

導(dǎo)電聚合物替代金屬部件

UBC奧肯那根微電子和千兆赫應(yīng)用（OMEGA）實(shí)驗(yàn)室的研究員Mohammad Zarifi博士表示，波導(dǎo)無處不在，但大多數(shù)人并不知道它們是什么。波導(dǎo)是幫助在通信設(shè)備和微波爐等消費(fèi)電器中引導(dǎo)聲波和光波的結(jié)構(gòu)或管道。波導(dǎo)的尺寸各不相同，但通常它們都是由具有導(dǎo)電特性的金屬制成。

為此，Zarifi博士和他的OMEGA團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種為聚合物導(dǎo)電的辦法，這些組件具有與金屬兼容的性能，但重量輕10至20倍，成本更低且易于制造。

△該研究已發(fā)表在最新一期的《今日材料》雜志上，題目為“MXene引導(dǎo)微波穿過3D聚合物結(jié)構(gòu)”（傳送門）

工程學(xué)院副教授Zarifi博士解釋說：“在不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，波導(dǎo)是我們?nèi)粘Ｊ褂玫脑O(shè)備的基礎(chǔ)，但它正在經(jīng)歷一場變革。傳統(tǒng)上，從熟悉的微波爐嗡嗡聲到衛(wèi)星通信的廣泛覆蓋范圍，這些組成部分傳統(tǒng)上都是由銀、黃銅和銅等金屬制成的?！?br />
費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)AJ Drexel納米材料研究所所長Yury Gogotsi博士解釋說，MXene是一個(gè)新興的二維材料家族，其中碳化鈦MXene在導(dǎo)電性方面處于領(lǐng)先地位。

Gogotsi博士說：“把MXenes想象成納米薄的導(dǎo)電薄片，它可以像粘土一樣分散在水中。在空氣中干燥后，它可以使聚合物表面導(dǎo)電。它就像室溫下的金屬化，無需熔化或蒸發(fā)金屬，無需真空或溫度。”

△Omid Niksan博士擁有3D打印MXene涂層組件的原型，該組件可用作天線、波導(dǎo)和濾波器中金屬組件的替代品

將MXene集成到3D打印的尼龍部件上，可以使通道狀結(jié)構(gòu)更有效地將微波引導(dǎo)至頻段。UBCO工程學(xué)院博士生、該文章的第一作者Omid Niksan解釋說，輕質(zhì)增材制造組件的這種能力，可能會影響航空航天和衛(wèi)星行業(yè)電子通信設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。

他補(bǔ)充道:“無論是在天基通信設(shè)備還是MRI機(jī)器等醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中，這些輕質(zhì)MXene涂層聚合物結(jié)構(gòu)都有可能取代傳統(tǒng)的制造方法，例如用于創(chuàng)建通道結(jié)構(gòu)的金屬加工方法。”

研究人員擁有基于聚合物的MXene涂層通信組件的臨時(shí)專利。Zarifi博士指出：“雖然還需要進(jìn)行更多研究，但我們對這種創(chuàng)新材料的潛力感到興奮。我們的目標(biāo)是探索和開發(fā)3D打印天線和通信設(shè)備在太空中的可能性。通過減少航天飛機(jī)運(yùn)輸車的有效載荷，它為工程師提供了更多選擇。”

該研究是與德雷塞爾大學(xué)AJ德雷塞爾納米材料研究所的科學(xué)家合作進(jìn)行的，并得到了國防部、自然科學(xué)與工程研究委員會和美國國家科學(xué)基金會的支持。