_ Dispozitive acoperite cu MXene poate ghida microundele în spațiu și ușura sarcina utilă

Una dintre cele mai importante componente ale sateliților care permit telecomunicațiile este ghidul de undă, care este un tub metalic pentru ghidarea undelor radio. Este, de asemenea, una dintre cele mai grele încărcături utile transportate de sateliți pe orbită. Ca și în cazul oricărei tehnologii spațiale, reducerea greutății înseamnă reducerea cantității de combustibil scump și care produce gaze cu efect de seră necesară pentru a lansa o rachetă sau creșterea numărului de dispozitive transportate de aceeași rachetă în spațiu.

Cercetătorii de la Drexel Universitatea și Universitatea din Columbia Britanică încearcă să ușureze sarcina creând și testând un ghid de undă realizat din polimeri imprimați 3D acoperiți cu un nanomaterial conductor numit MXene.

În lucrarea lor publicată recent în revista Materials Today. , grupul a raportat despre potențialul utilizării acoperirilor MXene pentru a conferi componente neconductoare ușoare cu conductivitate electrică - o proprietate sacrificată în fabricarea aditivă folosind materiale polimerice, cum ar fi materialele plastice.

„În aplicațiile de zboruri spațiale, fiecare gram în plus de greutatea contează”, a spus Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University și Bach Professor la Colegiul de Inginerie din Drexel, care este lider în cercetarea MXene. „Materialele MXene oferă una dintre cele mai subțiri acoperiri posibile – fulgii lor au o grosime de câțiva atomi – care poate crea o suprafață conductivă, așa că vedem un mare potențial în utilizarea MXenes pentru a trata componentele fabricate cu aditivi din polimeri care au forme complexe.”

Ghidurile de undă funcționează ca conducte pentru cuptorul cu microunde. Ele direcționează undele către receptori, păstrând în același timp puterea semnalului. Într-un cuptor cu microunde, ghidajele de undă asigură încălzirea alimentelor; pe un satelit, ei transferă semnale de înaltă calitate între diferite obiecte din interiorul și între sateliți, precum și între sateliți și Pământ.

Și, ca și rețeaua complicată de conducte care își înfășoară drumul printr-o casă, ghidurile de undă sunt concepute în diferite forme pentru a se potrivi în spații restrânse. Ele pot varia de la canale simple, drepte, până la structuri la fel de complexe ca un labirint.

„Ghidurile de undă pot fi la fel de simple ca un canal dreptunghiular sau se pot transforma în forme asemănătoare unui „pai nebun”, cu curbe și răsuciri”, a spus Mohammad Zarifi, profesor asociat care studiază comunicarea cu microunde la Universitatea din British Columbia și a condus eforturile echipei de inginerie electrică și proiectare. „Cu toate acestea, adevăratul schimbător de joc este apariția metodelor de fabricație aditivă, care permit modele mai complexe, care pot fi dificil de produs cu metale.”

Deși aproape orice tub tubular ar putea fi folosit ca un „ghid de undă” primitiv, cei care transmit unde electromagnetice — în cuptoarele cu microunde și dispozitivele de telecomunicații, de exemplu — trebuie să fie realizate dintr-un material conductor pentru a păstra calitatea transmisiei. Aceste ghidaje de undă sunt de obicei realizate din metale precum argintul, alama și cuprul. În sateliți, aluminiul este alegerea mai ușoară.

Cercetătorii de la Drexel, care au descoperit pentru prima dată MXenes în 2011 și au condus cercetarea și dezvoltarea de atunci, au sugerat că nanomaterialele 2D ar fi un bun candidat ca un acoperire pentru componentele ghidului de undă din plastic pe baza descoperirilor lor anterioare conform cărora MXenele pot bloca și canaliza radiația electromagnetică.

„Acoperirea noastră MXene a apărut ca un candidat puternic pentru această aplicație, deoarece este foarte conductivă, funcționează ca un scut electromagnetic. , și poate fi produs pur și simplu prin scufundarea ghidului de undă în MXenes dispersate în apă”, a spus Lingyi Bi, Ph.D. candidat în grupul lui Gogotsi. „Au fost testate și alte vopsele metalice, dar din cauza substanțelor chimice folosite pentru a-și stabiliza ingredientele metalice, conductivitatea lor suferă în comparație cu MXenele”.

În plus, cercetătorii au raportat că acoperirea MXene s-a lipit excepțional de bine de ghidajele de undă din nailon imprimate 3D datorită compatibilității dintre structurile lor chimice. Echipa de ghidaje ușoare acoperite cu scufundare de diferite forme și dimensiuni – drepte, îndoite, răsucite și în formă de rezonator – pentru a testa capacitatea MXene de a-și acoperi interiorul complet.

Ghidurile de undă din nailon acoperite cu MXene cântăresc aproximativ opt de ori mai puțin decât cele standard din aluminiu utilizate în prezent, iar acoperirea MXene a adăugat doar o zecime de gram la greutatea totală a componentelor.

Cel mai important, ghidurile de undă MXene au funcționat aproape la fel de bine ca aluminiul lor. omologii, prezentând o eficiență de 81% în ghidarea undelor electromagnetice între două terminale după doar un ciclu de acoperire prin scufundare, doar o scădere de 2,3% din performanța aluminiului. Cercetătorii au demonstrat că ar putea îmbunătăți această măsurătoare de transmisie prin diferite straturi de acoperire sau dimensiunea fulgilor de MXene - atingând o eficiență maximă de transmisie de 95%.

Această performanță a rămas constantă atunci când transmisia a fost formată până la diferite benzi de frecvență, cum ar fi cele utilizate în prezent în comunicațiile prin satelit cu orbita joasă a Pământului și o putere de intrare suficient de mare pentru aceste transmisii. De asemenea, nu s-a degradat semnificativ după trei luni, un indicator al durabilității acoperirii.

„Ghidurile de undă acoperite cu MXene trebuie încă să treacă prin teste ample și să fie certificate pentru utilizare în spațiu înainte de a putea fi utilizate. pe sateliți”, a spus Roman Rakhmanov, doctorand la Drexel, care a participat la cercetare. „Dar această descoperire ar putea fi un pas important către următoarea generație de tehnologie spațială.”

Echipa lui Gogotsi intenționează să-și continue explorarea acoperirilor MXene în aplicații care ar putea beneficia de o alternativă la componentele metalice.

„Aceste rezultate promițătoare sugerează că componentele acoperite cu MXene ar putea fi un înlocuitor viabil și ușor pentru ghidurile de undă folosite în spațiu”, a spus Gogotsi. „Credem că acoperirile ar putea fi, de asemenea, optimizate pentru transmisii de frecvențe diferite și aplicate la o varietate de componente polimerice fabricate cu aditivi sau turnate prin injecție, oferind o alternativă ușoară și ieftină la metale și într-o serie de aplicații terestre. „

(Fluierul)