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O futuro da tecnologia sem fio está evoluindo rapidamente e as antenas – os principais componentes responsáveis pela transmissão de ondas eletromagnéticas – estão na vanguarda da mudança do setor. Para atender às crescentes demandas por antenas flexíveis, duráveis e econômicas, os pesquisadores estão recorrendo a uma fonte inesperada de inspiração: kirigami, a antiga arte japonesa de cortar e dobrar papel.
Uma equipe da Universidade Drexel e da Universidade da Colúmbia Britânica combinou o kirigami com a ciência dos materiais para criar um novo tipo de antena que pode alterar sua frequência de transmissão simplesmente ajustando seu formato. Esta antena, descrita em uma nova pesquisa publicada em Comunicações da Natureza, oferece um vislumbre da próxima geração de dispositivos de comunicação sem fio.
O que é Kirigami?
Kirigami é uma variação da antiga arte japonesa do origami, mas enquanto o origami se concentra exclusivamente em dobrar papel para criar desenhos complexos, o kirigami envolve cortar e dobrar para formar estruturas tridimensionais mais complexas. Esta técnica permite maior flexibilidade e versatilidade no design, pois os cortes permitem que o material se expanda e mude para novas formas, criando uma ampla gama de formas dinâmicas a partir de uma superfície plana. Originalmente desenvolvido para fins artísticos, o kirigami encontrou agora aplicações em áreas como arquitetura e até robótica.
Aplicando Kirigami à tecnologia sem fio
Aproveitando as técnicas de kirigami, a equipe transformou uma única folha de acetato revestida com uma tinta condutora especial em uma antena 3D flexível que pode transmitir e receber microondas. Esta antena pode ajustar sua frequência de transmissão alterando seu formato puxando ou apertando.
“Kirigami é um modelo natural para um processo de fabricação, devido à simplicidade com que formas 3D complexas podem ser criadas a partir de uma única peça de material 2D”, Dr. Yury Gogotsi, Distinguished University e Professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel e co- autor do estudo disse em um declaração recente.
Esta inovação representa uma mudança significativa no futuro da fabricação de antenas. As antenas de micro-ondas tradicionais exigem que componentes eletrônicos ajustem sua forma física ou funcionalidade, aumentando a complexidade, o custo e o risco de falha.
O design inspirado no kirigami, entretanto, permite que as antenas sejam reconfiguradas fisicamente sem a necessidade de circuitos adicionais. Isso os torna leves, flexíveis e duráveis – cruciais para robótica leve e aplicações aeroespaciais, onde as antenas devem resistir ao movimento e ao estresse de fatores ambientais, como lixo espacial ou radiação solar.
A chave para o sucesso da equipe está em Tinta MXeneum material condutor desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011. MXenes são uma família de nanomateriais bidimensionais conhecidos por sua forte adesão a substratos e capacidade de serem ajustados para aplicações eletromagnéticas específicas. O revestimento de folhas de acetato com tinta MXene permitiu aos pesquisadores criar padrões seletivos de frequência que formam a espinha dorsal das capacidades da antena.
Os pesquisadores usaram técnicas de kirigami para fazer cortes paralelos precisos no acetato revestido com MXene. Quando as bordas da folha foram puxadas, antenas ressonadoras quadradas surgiram da superfície e o ajuste da tensão mudou o ângulo do conjunto. Este novo aplicativo oferece a capacidade de modificar rapidamente a configuração de comunicação das antenas, melhorando potencialmente a comunicação sem fio para redes 5G e além.
“Superfícies seletivas de frequência, como essas antenas, são estruturas periódicas que transmitem, refletem ou absorvem seletivamente ondas eletromagnéticas em frequências específicas”, explicou Mohammad Zarifi, principal professor de pesquisa e professor associado da UBC em um estudo. declaração. “Eles têm estruturas ativas e/ou passivas e são comumente usados em aplicações como antenas, radomes e refletores para controlar a direção de propagação das ondas na comunicação sem fio em plataformas 5G e além.”
Mostrando o funcionamento da antena
As antenas kirigami transmitem efetivamente sinais em três bandas de frequência de micro-ondas comumente usadas – 2-4 GHz, 4-8 GHz e 8-12 GHz. Além disso, os pesquisadores demonstraram que alterar a geometria do substrato poderia redirecionar as ondas de cada ressonador. Esta capacidade de ajustar frequências simplesmente mudando o formato da antena abre uma gama de possibilidades, desde tecnologias de comunicação até sensores de tensão que poderiam monitorar a condição de edifícios e infraestruturas.
Em um teste, a frequência produzida pelo ressonador mudou em 400 MHz à medida que o formato da antena foi deformado sob tensão. Isto sugere que a antena poderia funcionar como um sensor de deformação, fornecendo dados valiosos em tempo real sobre a integridade estrutural.
Olhando para o futuro, a equipe planeja explorar ainda mais o potencial das antenas kirigami, experimentando novos formatos, substratos e movimentos para otimizar o desempenho.
“A próxima fase desta pesquisa irá explorar novos materiais e geometrias para as antenas”, explicou Omid Niksan, PhD, da Universidade da Colúmbia Britânica e coautor do estudo, em um declaração.
À medida que a tecnologia sem fios continua a evoluir, inovações como estas poderão levar a sistemas de comunicação mais eficientes, adaptáveis e económicos, apoiando, em última análise, avanços em domínios como a robótica, a indústria aeroespacial e as telecomunicações.
Kenna Hughes-Castleberry é comunicadora científica da JILA (um instituto de pesquisa em física líder mundial) e redatora científica do The Debrief. Siga e conecte-se com ela no X ou entre em contato com ela por e-mail em kenna@thedebrief.org
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