Anteny z nanorurek węglowych

nano1

 

Nanorurki węglowe zostały odkryte w 1999 r. i od tego czasu stały się obiektem zainteresowania badaczy. To dlatego, że mają unikalne właściwości elektryczne, takie jak półprzewodniki lub metale w zależności od konfiguracji geometrycznej. Jednowarstwowa nanorurka węglowa jest zwiniętym arkuszem grafenu o promieniu rzędu nanometrów i długości rzędu centymetrów. Nanorurki, wzbudziły wielkie zainteresowanie wśród konstruktorów anten.

 

 

nano2

Ostatnio przeprowadzono badania anten dipolowych wykonanych z nanorurek węglowych. Jest to idealny materiał do zastosowań w zakresie fal mikrofalowych i milimetrowych, oraz fal rozciągających się do zakresu terahercowego. Opracowano model linii przesyłowej w celu zbadania jego właściwości promieniowania. Co ciekawe, istnieje kilka efektów, które sprawiają, że linia z nanorurek jest wyjątkowa w porównaniu do zwykłych makroskopowych linii przesyłowych. Na przykład, musimy wziąć pod uwagę indukcyjność kinetyczną, która dominuje nad indukcyjnością magnetyczną i pojemność kwantową, która występuje oprócz zwykłej pojemności elektrostatycznej. W rezultacie prędkość fali zmniejsza się do prędkość, która wynosi tylko 1% prędkości fali w wolnej przestrzeni, co oznacza, że długość fizyczna takiej anteny wynosi tylko 1% długości anteny metalowej. Na przykład antena dipolowa o długości półfalowej w paśmie 900 MHz wynosi tylko 1,7 mm dla anteny wykonanej z nanorurek węglowych i 17 cm dla anteny metalowej. Wdrażanie dużej liczby anten w małym urządzeniu staje się coraz ważniejsze, ponieważ złożoność technologii przesyłania zwiększa się w systemach bezprzewodowych. Nanorurki węglowe mają również inne użyteczne właściwości w porównaniu do metalu, takie jak 1000 razy większą gęstość prądu niż miedź, wytrzymałość mechaniczna jest większa 100 razy, niż stal węglowa. Przewodność cieplna, jest większa dziesięciokrotnie niż przewodność diamentu. Wyniki badań pokazują bardzo interesujące właściwość polegającą na bardzo wysokiej wartości impedancji wejściowej. Dzieje się tak, ponieważ w skali nano transport elektronów jest balistyczny lub związany z tunelowaniem, zamiast 50 Ω , jak w konwencjonalnych antenach, ipedancję 12,9 kΩ należy traktować jako impedancję odniesienia dla anten nanorurkowych. Może to być przydatne w dopasowaniu anteny do innych urządzeń grafeno-elektronicznych. Ponadto, anteny nanorurkowe wykazują wiele bardzo ostrych rezonansów zwanych rezonansami Tlasmon'a.

Antena nanorurkowa to urządzenie składające się z nanorurek węglowych (długiej, cylindrycznej struktury węglowej składającej się z sześciokątnych cząsteczek grafitu) skonfigurowanych do przesyłania lub odbierania pól elektromagnetycznych przy bardzo małych długościach fali. Antena nanorurkowa mierzy około 50 nanometrów średnicy i 200 do 1000 nm długości. Nanorurki znajdą zastosowanie jako elementy konstrukcyjne do budowy w nanoskali bardzo małych rezystorów, kondensatorów, indukcyjności, diod, tranzystorów i układów pamięciowych. Ze względu na ich indukcyjność i pojemność przy bardzo wysokich częstotliwościach, nanorurki mogą służyć jako anteny w podczerwieni (IR) i widzialnych falach świetlnych. Przewidywane aplikacje anten z nanorurek, obejmują przetworniki fotowoltaiczne, komunikację światłowodową oraz szybkie komputery optyczne.

Anteny węglowe z nanorurek węglowych mają jednak bardzo niską wydajność w porównaniu z metalowymi antenami w typowych zakresach częstotliwości używanych do łączności radiowej do częstotliwości około 1 GHz, np. Antenowe nanorurki węglowe o pojedynczej ściance mogą mieć skuteczność wynoszącą 1 / 1 000 000 lub -60 dB. Zatem może wystąpić spadek o 60 dB między mocą przesyłaną do anteny a przesyłaną energią zamienianą w ciepło, co znacznie ogranicza użyteczność tych anten, nawet przy uwzględnieniu zmniejszenia ich wielkości. Ten problem można rozwiązać wykorzystując włókna CNT, co zwiększa wydajność o 30-40 dB, przy wzroście gabarytów anteny (fotografia na początku artykułu). Problemy związane z konstrukcją takich anten poruszono w artykule Stevena D. Kellera i Amira I. Zaghlou z U.S. Army Research Laboratory. Zobacz artykuł




W artykule wykorzystano publikacje U.S. Army Research Laboratory oraz fotografie publikowane na Wikipedii.