Les bombes aérosols : futur outil de communication ? Matija Mestrovic/Unsplash, CC BY-SA

Des antennes en spray ! Vers la communication du futur

Le mot antenne peut vous faire penser à votre vieille télévision ou à la tige qui capte les signaux radio pour une voiture. Mais une antenne peut être beaucoup plus petite – voire invisible ! Quelle que soit sa forme ou sa taille, une antenne est essentielle pour la communication via la transmission et la réception des signaux radio entre les appareils. Les appareils électroniques portables deviennent de plus en plus courants, les antennes doivent suivre le rythme.

Les moniteurs portables, les vêtements intelligents flexibles, les capteurs industriels ou médicaux seront beaucoup plus efficaces si leurs antennes sont légères et flexibles, voire transparentes. Nous avons développé un nouveau type de matériau qui offre beaucoup plus d’options pour connecter des antennes à des appareils, il permet notamment de les peindre sur des murs ou des vêtements.

Notre laboratoire de science des matériaux étudie les nanomatériaux : 100 000 fois plus fins qu’un cheveu humain. En 2011, des chercheurs du département de science et d’ingénierie des matériaux de l’université de Drexel aux États-Unis ont mis au point une méthode permettant de combiner des métaux avec des atomes de carbone ou d’azote pour créer un matériau épais de quelques atomes. Nous appelons ces matériaux MXenes (prononcer « makesens »), et nous pouvons les fabriquer avec différents métaux – y compris le titane, le molybdène, le vanadium et le niobium.

Nos travaux les plus récents ont montré que le mélange de MXenes avec de l’eau nous permet de pulvériser des antennes sur n’importe quelle surface, y compris sur un mur de briques ou une fenêtre en verre – et même d’imprimer une antenne sur papier. Cela crée de nouvelles opportunités pour que les antennes plus petites, plus légères et plus flexibles accompagnent les appareils qui sont également fabriqués à partir de matériaux plus variés et polyvalents.

Le antennes ne sont pas – encore – partout

La chercheure Asia Sarycheva brandit une antenne MXene. Drexel University Nanomaterials Group, CC BY-ND

Les montres intelligentes et les porte-clés électroniques de voiture peuvent sembler avancés, mais les chercheurs travaillent sur de nombreuses autres options, y compris les blouses d’hôpital qui peuvent détecter les fréquences cardiaques et respiratoires des patients et les points de suture après une chirurgie. Pour que tout cela fonctionne, ils ont également besoin d’antennes stériles, flexibles, résistantes et même lavables à la machine.

Un autre type d’antenne fait également son entrée dans le monde. De nombreuses cartes de crédit et de débit, ainsi que les passeports américains, contiennent ce que l’on appelle des étiquettes RFID, de minuscules puces électroniques contenant des informations d’identification et les transmettant à des capteurs qui valident les transactions ou certifient l’identité du support du document.

Les étiquettes RFID sont très utilisées dans l’industrie, par exemple pour suivre les composants tout au long des processus de fabrication, les conteneurs et même en contrôlant l’accès des travailleurs à des zones spécifiques d’un bureau ou d’une usine.

Un large éventail d’utilisations

Depuis la découverte des MXenes en 2011 à Drexel, des chercheurs du monde entier ont testé leurs méthodes de travail. Parmi les premiers succès, citons les dispositifs de stockage d’énergie, le blindage électromagnétique, la filtration de l’eau, la détection chimique, le renforcement structurel et la séparation des gaz.

Comment les MXenes peuvent protéger des rayonnements électromagnétiques.

Toutes ces approches tirent parti des propriétés physiques et électriques des MXenes : elles sont transparentes à la lumière, conductrices électroniquement, chimiquement stables et fortes.

Vaporiser, tout simplement

Nous avons exploré comment utiliser un autre attribut physique des MXenes : ils aiment l’eau. Lorsque nous mélangeons des feuilles de carbure de titane – MXène avec de l’eau, nous obtenons une encre stable. Nous pouvons pulvériser ou imprimer cette encre sur n’importe quelle surface et, lorsque l’eau s’évapore, il reste des couches de MXene donc une antenne.

L’antenne résultante est très efficace pour transmettre et diriger les ondes radio, même si elle est appliquée sur une couche très fine. Nos tests initiaux suggèrent qu’elle peut être aussi performante que des antennes en or, argent, cuivre ou aluminium plus couramment utilisées. Et parce qu’elle est beaucoup plus fine, une antenne MXene peut être utilisée dans des espaces trop petits pour les autres antennes et descendre jusqu’au millième de l’épaisseur d’une feuille de papier !

Pulvérisation d’antennes MXene sur différentes surfaces.

Comparaison avec les autres antennes

Lorsque nous avons rendu les antennes MXene légèrement plus épaisses – plus du dixième de l’épaisseur d’un morceau de papier –, elles pouvaient toujours surpasser les antennes composées d’antennes à base de nanomatériaux de haute technologie, notamment les nanotubes de carbone, le graphène et l’encre nano-argentée.

En outre, les antennes MXene étaient beaucoup plus faciles à fabriquer. D’autres procédés de fabrication de nanomatériaux nécessitent de mélanger les ingrédients à capacité électronique avec d’autres matériaux pour les aider à coller les uns aux autres et à les chauffer tous ensemble pour renforcer leurs interconnexions. Nos antennes MXene sont fabriquées en deux étapes : mélanger les MXenes avec de l’eau et les vaporiser avec un aérographe.

Cela signifie que les antennes peuvent être pulvérisées à l’aide de l’aérographe presque partout, par presque tout le monde, dans presque tous les cas. Ce nouveau type de matériau ouvre une large gamme de nouvelles possibilités pour les appareils électroniques.

This article was originally published in English