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La promesse des vêtements et des tissus fonctionnels de «nouvelle génération» semble être à la portée de tous. Mais les chercheurs sur le terrain vous diront que la raison principale de leur «arrivée» tardive est le problème de l’intégration transparente de la technologie de connexion – à savoir les antennes – aux «tissus» flexibles et changeants.

Le MXene pour des vêtements intelligents

Mais une avancée décisive des chercheurs de la faculté d’ingénierie de Drexel pourrait désormais faciliter l’installation de ces antennes. Dans une étude récemment publiée dans Science Advances, le groupe présente une méthode de pulvérisation d’antennes très minces et invisibles, fabriquées à partir d’un type de matériau métallique bidimensionnel appelé MXene, qui fonctionnent aussi bien que celles utilisées dans les appareils mobiles, les routeurs sans fil et les smartphones.

« C’est un résultat très excitant car ce type de technologie offre un potentiel considérable », a déclaré Kapil Dandekar, professeur de génie électrique et informatique au College of Engineering, qui dirige le Drexel Wireless Systems Lab., et qui était le coauteur de cette recherche. « La possibilité de pulvériser une antenne sur un substrat flexible ou de la rendre optiquement transparente signifie que nous pourrions avoir plusieurs nouveaux endroits pour mettre en place des réseaux connectés à internet, comme de nouvelles applications et de nouvelles façons de collecter des données. »

Les chercheurs du Département de science et Génie des matériaux du Collège ont utilisé le carbure de titane MXene qui peut être dissous dans l’eau pour créer de l’encre ou de la peinture. La conductivité exceptionnelle de ce matériau lui permet de transmettre et de diriger les ondes radio, même lorsqu’il est appliqué sur un revêtement très fin.

« Nous avons constaté que même des antennes transparentes avec seulement une épaisseur d’une dizaine de nanomètres étaient capables de communiquer efficacement », a déclaré Asia Sarycheva, doctorant à l’AJ. Institut des nanomatériaux de Drexel et du département de science et d’ingénierie des matériaux. « En augmentant l’épaisseur jusqu’à 8 microns, la performance de l’antenne MXene a atteint 98% de sa valeur maximale prévue. »

Intégrer ces antennes dans une grande variété d’objets

La préservation de la qualité de la transmission sous une forme aussi fine est importante car elle permettra d’intégrer facilement ces antennes, dans une grande variété d’objets et de surfaces sans ajouter de poids, et de circuits intégrés comme des puces électroniques.

« Cette technologie pourrait permettre une intégration véritablement transparente des antennes avec des objets de la vie quotidienne, ce qui sera essentiel pour l’émergence d’objets connectés à internet. », a déclaré Dandekar. « Les chercheurs ont beaucoup travaillé avec des matériaux non traditionnels pour essayer de déterminer de quelle façon cette technologie pourrait répondre aux besoins des gens. »

Les tests initiaux des antennes pulvérisées suggèrent qu’ils peuvent fonctionner avec la même performance que les antennes conventionnelles, qui sont fabriquées à partir de métaux comme de l’or, de l’argent, du cuivre et  de l’aluminium, mais qui sont beaucoup plus épaisses que les antennes MXene. Les chercheurs en matériaux et les ingénieurs en électricité ont cherché depuis longtemps une façon de réduire la taille des antennes et de les rendre plus légers. Cette découverte constitue donc un grand pas en avant.

antenne-mince-mxeneDe l’encre MXene pulvérisée sur une feuille pour créer une antenne très mince

« Les méthodes de fabrication actuelles des métaux ne permettent pas de produire une antenne suffisamment fine et applicable à toutes les surfaces, malgré des décennies de recherche et développement visant à améliorer les performances des antennes métalliques », a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D. Sciences et ingénierie à la faculté d’ingénierie et directeur de l’AJ Drexel Nanomaterials Institute, qui a initié et dirigé ce projet. « Nous recherchions des nanomatériaux bidimensionnels ayant une épaisseur environ mille fois plus fine qu’un cheveu humain et pouvant s’auto-assembler en films conducteurs lors du dépôt sur n’importe quelle surface.

Le MXene pour des antennes ultra-minces

Nous avons donc choisi le MXene, qui est un matériau de carbure de titane bidimensionnel, plus résistant que les conducteurs métalliquement, afin de créer des antennes ultra-minces. »

Les chercheurs de Drexel ont découvert la famille des matériaux MXene en 2011 et ont depuis acquis une compréhension de leurs propriétés et de leurs futures applications. Naturellement, les matériaux MXene ont été comparés à des matériaux bidimensionnels comme le graphène, qui a permis à son inventeur Andre Geim de remporter le prix Nobel en 2010 et a été étudié comme matériau pour des antennes imprimables.

Dans ce document, les chercheurs de Drexel ont comparé les antennes à pulvériser avec diverses antennes fabriquées à partir de ces nouveaux matériaux, notamment le graphène, l’encre argentée et les nanotubes de carbone. Les antennes MXene étaient 50 fois plus efficaces que le graphène et 300 fois que les antennes à encre argentée, tout en préservant la même puissance de transmission des ondes radio.

« L’antenne MXene a non seulement surpassé le monde macro et micro des antennes métalliques, mais a également dépassé les performances des antennes à nanomatériaux actuellement disponibles, tout en conservant une épaisseur très mince », a déclaré Babak Anasori, Ph.D., professeur assistant de recherche. Institut de nanomatériaux de Drexel. « L’antenne la plus fine ne dépassait pas 62 nanomètres et était presque transparente.

Appliquer ces antennes sur d’autres surfaces

« Contrairement aux autres méthodes de fabrication des nanomatériaux, qui nécessitent des additifs appelés liants et des étapes supplémentaires de fabrication, nous avons fabriqué des antennes en une seule étape en pulvérisant par aérographe notre encre MXene à base d’eau. »

Dans un premier temps, le groupe a testé l’application de l’encre sur un substrat rugueux – du papier cellulosique – et une feuille de polyéthylène téréphtalate – la prochaine étape de leur travail consistera à appliquer leurs antennes sur des surfaces en verre et sur la peau.

« D’autres recherches sur l’utilisation de matériaux de la famille MXene dans la communication sans fil pourraient permettre une électronique totalement transparente et des dispositifs portables grandement améliorés qui soutiendront les modes de vie actifs dans lesquels nous vivons », a déclaré Anasori.

Source : Drexel University