El kirigami, arte de papel en 3D, podría transformar la tecnología inalámbrica

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El futuro de la tecnología inalámbrica (desde la carga de dispositivos hasta la amplificación de señales de comunicación) depende de que las antenas que transmiten ondas electromagnéticas sean cada vez más versátiles, duraderas y fáciles de fabricar.

Investigadores de la Universidad Drexel y la Universidad de Columbia Británica creen que el kirigami, el antiguo arte japonés de cortar y doblar papel para crear intrincados diseños tridimensionales, podría proporcionar un modelo para la fabricación de la próxima generación de antenas.

La investigación del equipo de Drexel-UBC mostró cómo el kirigami (una variación del origami) puede transformar una sola hoja de acetato recubierta con tinta conductora MXene en una antena de microondas 3D flexible cuya frecuencia de transmisión se puede ajustar simplemente tirando o apretando para cambiar ligeramente su forma.

La prueba de concepto es significativa, según los investigadores, porque representa una nueva forma de fabricar de forma rápida y rentable una antena simplemente aplicando tinta MXene acuosa sobre un material de sustrato de polímero elástico transparente.

“Para que la tecnología inalámbrica sea compatible con los avances en campos como la robótica blanda y la industria aeroespacial, las antenas deben diseñarse para que tengan un rendimiento ajustable y sean fáciles de fabricar“, dijo Yury Gogotsi, Ph.D., profesor distinguido de la Universidad y Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, y coautor de la investigación.

“Kirigami es un modelo natural para un proceso de fabricación, debido a la simplicidad con la que se pueden crear formas tridimensionales complejas a partir de una única pieza de material bidimensional”.

Las antenas de microondas estándar se pueden reconfigurar electrónicamente o alterando su forma física.

Sin embargo, agregar los circuitos necesarios para controlar una antena electrónicamente puede aumentar su complejidad, haciendo que la antena sea más voluminosa, más vulnerable a fallas y más costosa de fabricar.

Por el contrario, el proceso demostrado en este trabajo conjunto aprovecha el cambio de forma física y puede crear antenas en una variedad de formas y figuras intrincadas.

Estas antenas son flexibles, livianas y duraderas, que son factores cruciales para su capacidad de supervivencia en componentes aeroespaciales y robóticos móviles.

Para crear las antenas de prueba, los investigadores primero recubrieron una lámina de acetato con una tinta conductora especial, compuesta de carburo de titanio MXene, para crear patrones selectivos de frecuencia.

La tinta MXene es particularmente útil en esta aplicación porque su composición química le permite adherirse fuertemente al sustrato para una antena duradera y puede ajustarse para reconfigurar las especificaciones de transmisión de la antena.

Los MXenes son una familia de nanomateriales bidimensionales descubiertos por investigadores de Drexel en 2011 cuyas propiedades físicas y electroquímicas pueden ajustarse alterando ligeramente su composición química.

Los MXenes han sido ampliamente utilizados en la última década para aplicaciones que requieren materiales con un comportamiento fisicoquímico preciso, como blindaje electromagnético, biofiltración y almacenamiento de energía.

También se han explorado para aplicaciones de telecomunicaciones durante muchos años debido a su eficiencia en la transmisión de ondas de radio y su capacidad de ajustarse para bloquear selectivamente y permitir la transmisión de ondas electromagnéticas.

Utilizando técnicas de kirigami, desarrolladas originalmente en Japón en los siglos IV y V d.C., los investigadores realizaron una serie de cortes paralelos en la superficie recubierta de MXene.

Al tirar de los bordes de la lámina, se activaron una serie de antenas resonadoras de forma cuadrada que surgieron de su superficie bidimensional.

Al variar la tensión, se modificó el ángulo de la matriz, una capacidad que podría implementarse para ajustar rápidamente la configuración de comunicaciones de las antenas.

Los investigadores ensamblaron dos conjuntos de antenas kirigami para realizar pruebas.

También crearon un prototipo de un resonador coplanar (un componente utilizado en sensores que produce naturalmente ondas de una determinada frecuencia) para demostrar la versatilidad del enfoque.

Además de las aplicaciones de comunicación, los resonadores y las antenas reconfigurables también podrían usarse para detectar la tensión, según el equipo.

“Las superficies selectivas de frecuencia, como estas antenas, son estructuras periódicas que transmiten, reflejan o absorben selectivamente ondas electromagnéticas a frecuencias específicas“, dijo Mohammad Zarifi, presidente principal de investigación, profesor asociado de la UBC, que ayudó a dirigir la investigación.

“Tienen estructuras activas y/o pasivas y se utilizan comúnmente en aplicaciones como antenas, radomos y reflectores para controlar la dirección de propagación de las ondas en la comunicación inalámbrica en plataformas 5G y posteriores“.

Las antenas kirigami demostraron ser eficaces para transmitir señales en tres bandas de frecuencia de microondas de uso común: 2-4 GHz, 4-8 GHz y 8-12 GHz.

Además, el equipo descubrió que cambiar la geometría y la dirección del sustrato podría redirigir las ondas de cada resonador.

La frecuencia producida por el resonador se desplazó 400 MHz a medida que su forma se deformaba bajo condiciones de tensión, lo que demuestra que podría funcionar eficazmente como un sensor de tensión para monitorear el estado de la infraestructura y los edificios.

Según el equipo, estos hallazgos son el primer paso hacia la integración de los componentes en estructuras relevantes y dispositivos inalámbricos.

Con las innumerables formas del kirigami como inspiración, el equipo ahora buscará optimizar el rendimiento de las antenas explorando nuevas formas, sustratos y movimientos.

“Nuestro objetivo aquí era mejorar simultáneamente la capacidad de ajuste del rendimiento de la antena, así como crear un proceso de fabricación simple para nuevos componentes de microondas incorporando un nanomaterial MXene versátil con diseños inspirados en el kirigami”, dijo Omid Niksan, Ph.D., de la Universidad de Columbia Británica, quien fue uno de los autores del artículo.

“La siguiente fase de esta investigación explorará nuevos materiales y geometrías para las antenas”.

Fuente: Nature communications