導(dǎo)讀

最近，美國萊斯大學(xué)的研究人員研發(fā)出由碳納米管纖維制成的無線天線，性能堪比銅天線，而重量卻只有1/20。這種天線有望應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和可穿戴電子設(shè)備，因為它在重量和柔性方面具有優(yōu)勢。

關(guān)鍵字

可穿戴技術(shù)、天線、碳納米管

背景

天線，通常用于發(fā)射和接收無線信號。在無線通信系統(tǒng)中，天線一直都是非常關(guān)鍵的部件之一，具有非常很重要的地位。

之前，筆者也介紹過一些與天線相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)。例如：

美國波士頓學(xué)院的研究團(tuán)隊開發(fā)的首個納米級無線通信系統(tǒng)。它能夠在可見光波長操作，使用天線發(fā)送和接受表面等離子激元，并且進(jìn)行高度控制。

（圖片來源于：波士頓學(xué)院）  

芬蘭阿爾托大學(xué)的研究人員使用一種新型技術(shù)手段，讓天線從模擬走向數(shù)字，使其占有空間更小，傳輸數(shù)據(jù)速度更快，輻射效率更高。

（圖片來源：芬蘭阿爾托大學(xué)）

石墨烯旗艦項目（Graphene Flagship）的研究人員使用石墨烯制造出完全柔性的天線，它可以利用手機(jī)等近場通信設(shè)備交換信息，并且具有傳統(tǒng)金屬天線的功能。這種石墨烯基的NFC天線具有化學(xué)惰性、抗幾千次彎曲、可以放置于不同標(biāo)準(zhǔn)的柔性基底之上。

（圖片來源：Graphene Flagship）

創(chuàng)新

最近，美國萊斯大學(xué)的研究人員稱，由碳納米管纖維制作成的無線天線，其性能堪比銅天線，而總量卻只有1/20。這種天線具有實用優(yōu)勢，因為在航天應(yīng)用和可穿戴電子設(shè)備中，重量和柔性是關(guān)鍵因素。

這項研究發(fā)表于《應(yīng)用物理快報》（Applied Physics Letters）雜志。

（圖片來源：Jeff Fitlow / 萊斯大學(xué)）

技術(shù)

萊斯大學(xué)實驗室化學(xué)家和化學(xué)工程師Matteo Pasquali 開發(fā)出了更大強(qiáng)度、更輕的碳納米管纖維。這項研究發(fā)現(xiàn)為這種材料帶來了更多應(yīng)用可能性。2013年，該實驗室開發(fā)了制作高導(dǎo)電性碳納米管纖維的首個實用性方法。此后，他們在大腦植入物、心臟手術(shù)和其他應(yīng)用方面進(jìn)行了測試。

在航空航天應(yīng)用中，重量等于成本。然而，這項研究幫助了工程師們尋找到了適合航空航天應(yīng)用的精簡材料。Pasquali 稱，這種高強(qiáng)度、柔性、導(dǎo)電的纖維天線可用于收發(fā)信號，而可穿戴設(shè)備例如腕帶式健康監(jiān)測器和嵌入電子器件的衣服都將得益于這種天線。

萊斯大學(xué)團(tuán)隊與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的同事們一起開發(fā)了一種稱為“特定輻射效率”的機(jī)制，用于判斷碳納米管纖維在通用無線通信頻率（1GHz ~ 2.4GHz）上的輻射信號效果，并且將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的銅天線進(jìn)行比較。他們制作的線由8到128根纖維組成，厚度和人類頭發(fā)絲差不多，長度都裁剪得相同，在定制的裝備上測試，直接和銅進(jìn)行實際比較。

（圖片來源：Jeff Fitlow / 萊斯大學(xué)）

萊斯大學(xué)的研究生、論文的領(lǐng)導(dǎo)作者Amram Bengio 表示：

“天線通常具有一個特定的形狀，你必須非常仔細(xì)地設(shè)計它們。一旦它們形成某種形狀，你就會希望它們保持那種形狀。所以第一個實驗性的挑戰(zhàn)就是讓我們的柔性天線保持形狀。”

價值

與其他實驗室（他們使用不同碳納米管纖維材料）的早期研究成果相反，萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)纖維天線的輻射效率，在同一頻率和直徑下，與銅相匹配。他們的研究成果支持了碳納米管天線的性能與纖維的密度和導(dǎo)電率成比例的預(yù)測理論。

Bengio 表示：

“我們不僅發(fā)現(xiàn)在相同的直徑和橫截面積上的性能相同，而且一旦考慮到總量，我們發(fā)現(xiàn)總量只有銅線的1/20。”

他說：

“這種材料的用途是一個大的賣點，但是從科學(xué)的角度看，在這些頻率下，碳納米管宏觀材料（macro-materials ）就像一種典型的導(dǎo)體。盡管纖維被認(rèn)為是‘中等導(dǎo)電’的，但是它也顯示出了優(yōu)越的性能。”

Pasquali 說，盡管制造商會簡單地使用更細(xì)的銅線取代30 gauge 的線，但是這些線會非常脆弱且難以處理。他說： 

“Amram 的研究顯示，如果你作對了三件事：正確地制造纖維、正確地制造天線、根據(jù)通信協(xié)議設(shè)計天線，那么你的天線將工作得很好。隨著你在高頻率下使用的天線變得非常細(xì)，它會比銅線更具優(yōu)勢，因為銅線會由于直徑變得很細(xì)而難以控制，而碳納米管具有織物一般的特性，可以保持很好地工作。

參考資料

【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