新型碳纳米管纤维天线：具有柔性和重量优势！

导读

最近，美国莱斯大学的研究人员研发出由碳纳米管纤维制成的无线天线，性能堪比铜天线，而重量却只有1/20。这种天线有望应用于航空航天领域和可穿戴电子设备，因为它在重量和柔性方面具有优势。

关键字

可穿戴技术、天线、碳纳米管

背景

天线，通常用于发射和接收无线信号。在无线通信系统中，天线一直都是非常关键的部件之一，具有非常很重要的地位。

之前，笔者也介绍过一些与天线相关的创新技术。例如：

美国波士顿学院的研究团队开发的首个纳米级无线通信系统。它能够在可见光波长操作，使用天线发送和接受表面等离子激元，并且进行高度控制。

（图片来源于：波士顿学院）  

芬兰阿尔托大学的研究人员使用一种新型技术手段，让天线从模拟走向数字，使其占有空间更小，传输数据速度更快，辐射效率更高。

（图片来源：芬兰阿尔托大学）

石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship）的研究人员使用石墨烯制造出完全柔性的天线，它可以利用手机等近场通信设备交换信息，并且具有传统金属天线的功能。这种石墨烯基的NFC天线具有化学惰性、抗几千次弯曲、可以放置于不同标准的柔性基底之上。

（图片来源：Graphene Flagship）

创新

最近，美国莱斯大学的研究人员称，由碳纳米管纤维制作成的无线天线，其性能堪比铜天线，而总量却只有1/20。这种天线具有实用优势，因为在航天应用和可穿戴电子设备中，重量和柔性是关键因素。

这项研究发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）杂志。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）

技术

莱斯大学实验室化学家和化学工程师Matteo Pasquali 开发出了更大强度、更轻的碳纳米管纤维。这项研究发现为这种材料带来了更多应用可能性。2013年，该实验室开发了制作高导电性碳纳米管纤维的首个实用性方法。此后，他们在大脑植入物、心脏手术和其他应用方面进行了测试。

在航空航天应用中，重量等于成本。然而，这项研究帮助了工程师们寻找到了适合航空航天应用的精简材料。Pasquali 称，这种高强度、柔性、导电的纤维天线可用于收发信号，而可穿戴设备例如腕带式健康监测器和嵌入电子器件的衣服都将得益于这种天线。

莱斯大学团队与美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事们一起开发了一种称为“特定辐射效率”的机制，用于判断碳纳米管纤维在通用无线通信频率（1GHz ~ 2.4GHz）上的辐射信号效果，并且将结果与标准的铜天线进行比较。他们制作的线由8到128根纤维组成，厚度和人类头发丝差不多，长度都裁剪得相同，在定制的装备上测试，直接和铜进行实际比较。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）

莱斯大学的研究生、论文的领导作者Amram Bengio 表示：

“天线通常具有一个特定的形状，你必须非常仔细地设计它们。一旦它们形成某种形状，你就会希望它们保持那种形状。所以第一个实验性的挑战就是让我们的柔性天线保持形状。”

价值

与其他实验室（他们使用不同碳纳米管纤维材料）的早期研究成果相反，莱斯大学的研究人员发现纤维天线的辐射效率，在同一频率和直径下，与铜相匹配。他们的研究成果支持了碳纳米管天线的性能与纤维的密度和导电率成比例的预测理论。

Bengio 表示：

“我们不仅发现在相同的直径和横截面积上的性能相同，而且一旦考虑到总量，我们发现总量只有铜线的1/20。”

他说：

“这种材料的用途是一个大的卖点，但是从科学的角度看，在这些频率下，碳纳米管宏观材料（macro-materials ）就像一种典型的导体。尽管纤维被认为是‘中等导电’的，但是它也显示出了优越的性能。”

Pasquali 说，尽管制造商会简单地使用更细的铜线取代30 gauge 的线，但是这些线会非常脆弱且难以处理。他说： 

“Amram 的研究显示，如果你作对了三件事：正确地制造纤维、正确地制造天线、根据通信协议设计天线，那么你的天线将工作得很好。随着你在高频率下使用的天线变得非常细，它会比铜线更具优势，因为铜线会由于直径变得很细而难以控制，而碳纳米管具有织物一般的特性，可以保持很好地工作。

参考资料

【1】http://news.rice.edu/2017/10/23/nanotube-fiber-antennas-as-capable-as-copper-2/
【2】E. Amram Bengio, Damir Senic, Lauren W. Taylor, Dmitri E. Tsentalovich, Peiyu Chen, Christopher L. Holloway, Aydin Babakhani, Christian J. Long, David R. Novotny, James C. Booth, Nathan D. Orloff, Matteo Pasquali. High efficiency carbon nanotube thread antennas. Applied Physics Letters, 2017; 111 (16): 163109 DOI: 10.1063/1.4991822