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无线技术的未来——从为设备充电到增强通信信号——依赖于能够传输电磁波的天线变得越来越多样化、耐用和易于制造。德雷克塞尔大学和不列颠哥伦比亚大学的研究人员相信，古老的日本剪纸艺术桙纸工艺，可以为制造下一代天线提供一种模型。
最近发表在《自然通讯》杂志上的德雷克塞尔-UBC团队的研究显示，桙纸工艺——折纸的一种变体——可以将涂覆导电MXene墨水的单片醋酸盐变成灵活的3D微波天线，其传输频率可以通过拉伸或挤压稍微改变形状进行调整。研究人员认为这一概念验证非常重要，因为它代表了一种快速且经济有效制造天线的新方法，只需将水性MXene墨水涂在透明弹性聚合物基材材料上即可。
“为了让无线技术支持软体机器人和航空航天领域的进步，天线需要设计为可调性能且易于制造，”德雷克赛尔大学工程学院的Yury Gogotsi博士说，他也是这项研究的合著者。“桙纸工艺对于制造过程来说是一个天然的模型，因为它可以利用简单的方式从二维材料片中创建复杂的三维形式。”标准微波天线可以通过电子方式或改变其物理形状进行重新配置。
然而，添加必要的电路以电子方式控制天线会增加其复杂性，使天线变得更笨重、更容易出现故障，且制造成本更高。相比之下，这项联合研究中展示的过程利用了物理形状的变化，可以创造出各种形状复杂的天线。这些天线具有灵活性、轻便性和耐用性，这是其在可移动机器人和航空航天部件上生存的重要因素。
为了制造测试天线，研究人员首先用一种特殊的导电墨水对醋酸盐片进行涂覆，该墨水由钛碳化物MXene组成，以创建频率选择性图案。MXene墨水在这一应用中特别有用，因为其化学组成使其能够牢固地粘附在基材上形成耐用的天线，并可以进行调整以重新配置天线的传输规格。MXenes是德雷克塞尔大学研究人员于2011年发现的一种二维纳米材料，其物理和电化学性质可以通过稍微改变其化学组成进行调整。
过去十年来MXenes被广泛用于需要材料具备精确物理化学行为的应用中，例如电磁屏蔽、生物过滤和能量存储。由于其高效传输无线电波和选择性阻挡及允许电磁波传输的能力，MXenes多年来也被探索用于电信应用。通过使用桙纸工艺，研究人员在涂有MXene的表面进行了系列平行切割。拉扯片材的边缘会触发一组方形谐振器天线从其二维表面弹出。改变张力导致数组的角度发生变化——这项能力可用于快速调整天线的通信配置。
研究人员组装了两个桙纸天线阵列进行测试。他们还创建了平面谐振器的原型——一种用于传感器的组件，可自然产生特定频率的波动——以展示该方法的多功能性。根据团队的说法，除了通信应用外，谐振器和可重配置天线还可用于应变传感。“频率选择性表面，如这些天线，是选择性地在特定频率上传输、反射或吸收电磁波的周期性结构，”UBC副教授及研究主任Mohammad Zarifi说道，他参与领导了这项研究。
“它们具有主动和/或被动结构，常用于天线、雷达罩和反射器等应用中，以控制5G及更高平台无线通信中的波传播方向。”桙纸天线在三个常用微波频段上证明了其传输信号的有效性：2-4 GHz、4-8 GHz和8-12 GHz。此外，团队发现通过改变基材的几何形状和方向可以重新定向每个谐振器波。
在应变条件下，谐振器产生的频率随着其形状变形而产生400兆赫的偏移，展示出其作为监测基础设施和建筑状况的应变传感器的有效性能。根据团队的说法，这些发现是将组件集成到相关结构和无线设备中的第一步。借助于桙纸工艺的多种形式作为灵感，团队现在将寻求通过探索新的形状、基材和动作来优化天线的性能。
“我们的目标是同时改善天线性能的可调性，并通过结合多功能MXene纳米材料与桙纸设计创建一个简单的微波组件制造过程，”不列颠哥伦比亚大学的Omid Niksan博士说道，他是该论文的作者。“这项研究的下一阶段将探索天线的新材料和几何形状。”
