‘Self-tuning’-film maakt de weg vrij voor toekomstige draadloze en radarapparatuur

Een onderzoeksteam van de Queen Mary Universiteit van Londen heeft een nieuwe manier ontdekt om dunne films te ontwikkelen die zichzelf veel effectiever kunnen ‘afstemmen’ dan bestaande materialen, waardoor ze zeer responsief en efficiënt zijn.

Ferro-elektrische films worden gebruikt in moderne communicatie- en detectiesystemen, zoals 5G, 6G, radar en medische beeldvorming. Ze moeten zich snel aanpassen aan veranderende signalen en frequenties. Tot nu toe hebben wetenschappers te maken gehad met een afweging tussen het in hoge mate afstembaar maken van materialen en het energie-efficiënt houden ervan, maar deze nieuwe aanpak doorbreekt die afweging door het materiaal aanpasbaar te maken zonder energie te verspillen.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

In tests vertoonde het nieuwe materiaal, mede ontwikkeld door Dr. Hanchi Ruan, Dr. Hangfeng Zhang en andere onderzoekers, een ongewoon hoog niveau van ‘afstembaarheid’. Zijn vermogen om zijn gedrag te veranderen bereikte ongeveer 74% bij microgolffrequenties. Het team was verrast toen ze ontdekten dat ze hiervoor alleen maar een lage spanning hoefden aan te leggen, terwijl dergelijke prestaties normaal gesproken veel meer energie zouden vergen of aanzienlijke energieverliezen zouden veroorzaken.

Dr. Haixue Yan, lector aan de School of Engineering and Materials Science aan de Queen Mary Universiteit van Londen, zei: “De sleutel tot onze methode is de creatie van kleine nanoclusters – kleine groepen atomen, veel kleiner dan een mensenhaar – in het materiaal.

“Normaal gesproken zitten de atomen in bariumtitanaat in een volkomen regelmatige opstelling, zoals stoelen in een netjes opeengepakt stadion. Door zorgvuldig een klein aantal titaniumatomen te verwisselen met tin, verstoren we die perfecte orde en vormen we kleine, onregelmatige zakjes waar de atomen enigszins op hun plaats zitten. Deze nanoclusters bewegen gemakkelijker wanneer een elektrisch signaal wordt toegepast, waardoor het hele materiaal veel responsiever wordt.”

Professor Yang Hao, voorzitter van QinetiQ/Royal Academy of Engineering Research en hoogleraar antennes en elektromagnetiek bij Queen Mary, die dit onderzoek leidde, zei: “Dit werk zou kunnen leiden tot de volgende generatie kleinere, snellere en energiezuinigere draadloze en radarapparaten. Telefoons zouden betrouwbaarder kunnen verbinden, satellieten kunnen duidelijker communiceren en medische scanners kunnen scherpere beelden leveren.

“Meer in het algemeen zou de methode om nanoclusters te manipuleren door middel van atomaire vervanging een inspiratie kunnen zijn voor vooruitgang in veel technologieën, van sensoren en verdedigingssystemen tot toekomstige kwantumapparaten.”