导读

据美国德雷塞尔大学官网近日报道，该校研究人员采用 MXene 材料开发出了可应用于5G的新型天线。这些天线非常薄，可以喷涂到物体表面，其性能与当今市场上大多数移动设备中的铜质天线相差无几，但厚度和重量远远小于铜质天线。

背景

天线，是无线通信系统中非常重要的关键部件之一，通常用于发射以及接收无线信号。

桌面上的天线阵列（图片来源：西班牙IMDEA网络研究所）

然而，传统的天线大多数都是由铜等金属材料制成，这样的天线通常占据较大的空间，而且非常僵硬，不具备柔性，也无法变得很薄，从而应用到任何物体表面上。

（图片来源：Negar Reiskarimian/Columbia Engineering）

如今，可穿戴技术、植入式电子产品、5G、智能织物、物联网等新兴技术的蓬勃发展对于天线技术提出了更高的要求。因此，科学家们正在利用石墨烯、碳纳米管、MXene等新型材料开发更轻、更薄、更具柔性、更低成本的新型天线。

柔性的石墨烯基近场通信天线（图片来源：Graphene Flagship）

柔性碳纳米管薄膜天线（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）

与石墨烯、碳纳米管一样，MXene 也是近年来备受学界广泛关注的一种新材料。MXene 是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。MXene 材料最早是在2011年由美国德雷克塞尔大学的 Yury Gogotsi 教授和 Michel Barsoum 教授共同指导博士生 Michael Naguib 通过HF选择性刻蚀 MAX 相中的A原子层制备得到。最早被实验制备也是目前研究最多的一类 MXene 就是Ti3C2Tx。

剥离的 Ti3AlC2 形成两层羟基封端 MXene 模型（图片来源：M. Kurtoglu）

MXene 的其独特之处在于，能与液体（例如水和其他有机溶液）混合，同时保持导电性。因此，MXene 可应用于能量存储设备、电磁屏蔽、水过滤、化学感知、结构加固以及气体分离等多个领域。

用导电的 MXene 薄片涂覆纤维素纱线创造出一种高度导电且耐用的材料。（图片来源：德雷塞尔大学）

2018年，美国德雷塞尔大学工程学院研究人员报告了一种采用 MXene 材料喷涂制作超薄天线的新方法。该方法使安装天线简单得如同喷杀虫水。在论文中，德雷塞尔大学研究人员将 MXene 天线与石墨烯、银系油墨和碳纳米管等新材料制成的天线进行对比，在保持无线电波传输质量方面，MXene 天线胜过石墨烯天线50倍，胜过银系油墨天线300倍。

由MXene喷涂而成的天线（图片来源： 德雷塞尔大学）

创新

近日，在之前研究的基础上，德雷塞尔大学的研究人员采用 MXene 这种二维材料开发出了新型天线。这些天线非常薄，也非常坚固，可以被喷涂到特定位置。它可以在第五代(5G)移动装置使用的带宽上提供强劲的信号。这一研究成果将对移动、可穿戴和互联的“物联网”技术造成深刻影响。

（图片来源: 德雷塞尔大学）

德雷塞尔大学研发 MXene 天线已有两年多时间，其性能与当今市场上大多数移动设备中的铜质天线相差无几，但好处是厚度和重量远远小于铜质天线。相关论文近期发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上。

技术

论文领导作者、著名大学博士、德雷克塞尔工程学院材料科学与工程学巴赫教授 Yury Gogotsi 表示：“通信性能与超薄、柔韧性和耐用性的结合，为天线技术树立了新的标准。虽然在相当长的一段时间内，铜天线一直是性能上最好的天线，但其物理局限性阻碍了互联和移动技术取得许多人所预言的巨大飞跃。由于其性能独特，MXene 天线将在物联网技术发展中起到推动作用。”

尽管目前移动通信公司正处于引入5G技术的风口浪尖，5G技术可以利用电信频谱中较少使用的部分来实现更快的实时数据传输，但它很可能会成为新技术的标准工作范围。

除了达到性能之外，未来设备的天线还必须能够很好地适应电话和计算机电路板以外的各种环境。根据 Gogotsi 的说法，这使得 MXene 成为新天线 令人感兴趣的材料，因为它可以喷涂、丝网印刷或喷墨印刷到几乎任何基底上，并且在不牺牲性能的情况下保持柔性。

（图片来源： 德雷塞尔大学）

A.J. Drexel 纳米材料研究所的博士后研究员 Meikang Han 博士表示：“一般来说，铜天线阵列是通过蚀刻印刷电路板来制造的，这项工艺在柔性基底上很难施展。这就使 MXene 具有明显的优势，因为它在水中分散，从而制造出一种油墨，可以喷洒或打印到建筑墙壁或柔性基底上，以制造天线。”

在论文中，研究人员报告了三套喷涂 MXene 天线的性能，这些天线比类似的铜天线薄7~14倍，轻15~30倍，甚至比一层油漆还要薄。他们在实验室和开放环境中对天线的关键性能（增益、辐射效率和定向性）进行了测试，以衡量天线如何有效地将电力转化为定向波。他们在电信常用的三个无线电频率下进行了测试，其中一个是5G设备工作的目标频率。

（图片来源: 德雷塞尔大学）

在每个实例中，MXene 天线的性能都在铜天线的5%偏差之内，性能随着天线厚度的增加而增强。性能最好的 MXene 贴片天线，厚度约为标准铜天线的七分之一，在开放环境下，其效率是工作在16.4GHz频率下的铜天线的99%。MXenes 的效率也是工作在5G带宽的铜天线的98%。

它们的性能超过了其他几种正在考虑应用于天线的新材料，包括银油墨、碳纳米管和石墨烯。而且，比较显著的是，当 MXene 天线经受多达5000次的弯曲循环之后，这些性能数据并没有改变，这是一个远超同类材料的耐久性标志。

Gogotsi 表示：“ MXene 在制造过程中的可扩展性和环境可持续性都是久经考验的，因为这种材料实现了现今市场上最佳材料的性能目标，这当然是一个重大进展。随着我们继续测试各种涂层图案和技术，同时进一步优化 MXene 材料的成分，我希望它们的性能可以持续改善。”



【1】Meikang Han, Yuqiao Liu, Roman Rakhmanov, Christopher Israel, Md Abu Saleh Tajin, Gary Friedman, Vladimir Volman, Ahmad Hoorfar, Kapil R. Dandekar, Yury Gogotsi. Solution‐Processed Ti 3 C 2 T x MXene Antennas for Radio‐Frequency Communication. Advanced Materials, 2020; 2003225 DOI: 10.1002/adma.202003225
【2】https://drexel.edu/now/archive/2020/November/MXene-5G-antennas/