MXene涂层设备可以在太空中引导微波并减轻有效载荷

实现通信的卫星最重要的部件之一是波导管，这是一种用于引导无线电波的金属管。它也是卫星送入轨道的最重有效载荷之一。与所有空间技术一样，减轻重量意味着减少发射火箭所需的昂贵且产生温室气体的燃料量，或增加同一火箭送入太空的装置数量

德雷塞尔大学和不列颠哥伦比亚大学的研究人员正试图通过创建和测试一种由3D打印聚合物制成的波导来减轻负载，该聚合物涂有一种名为MXene的导电纳米材料

在最近发表在《今日材料》杂志上的论文中，该小组报告了使用MXene涂层赋予轻质非导电部件导电性的潜力，这是在使用聚合物材料（如塑料）的增材制造中牺牲的特性

“在航天应用中，每多出一克重量都很重要，”杰出大学博士、德雷塞尔工程学院巴赫教授Yury Gogotsi说，他是MXene研究的领导者。“MXene材料提供了一种尽可能薄的涂层——它们的薄片只有几个原子的厚度——可以形成导电表面，因此我们看到使用MXene处理由形状复杂的聚合物制成的添加剂制造的组件的巨大潜力。”

波导起到微波管道的作用。它们将波引导到接收器，同时保持信号的功率。在微波炉中，波导管确保食物的加热；在卫星上，它们在卫星内部、卫星之间以及卫星与地球之间的不同物体之间传输高质量信号

而且，就像错综复杂的管道网络一样，波导管被设计成各种形状，以适应有限的空间。它们的范围从简单、笔直的通道到迷宫般复杂的结构

不列颠哥伦比亚大学研究微波通信的副教授穆罕默德·扎里菲领导了该团队的电气工程和设计工作，他说：“波导可以像直的矩形通道一样基本，也可以变形成类似‘疯狂的稻草’的形状，有弯曲和扭曲。”。“然而，真正的游戏规则改变者是增材制造方法的出现，这种方法允许更复杂的设计，而这些设计可能很难用金属生产。”

虽然几乎任何空心管都可以用作原始的“波导管”，即在微波炉和电信设备中传输电磁波的波导管，例如——必须由导电材料制成以保持传输质量。这些波导管通常由银、黄铜和铜等金属制成。在卫星中，铝是重量较轻的选择

Drexel的研究人员于2011年首次发现了MXenes，并从那时起领导了他们的研究和开发。基于他们之前发现MXenes可以阻挡和引导电磁辐射，他们认为2D纳米材料将是塑料波导组件的良好候选涂层

Gogotsi团队的博士候选人毕玲怡（Lingyi Bi）表示：“我们的MXene涂层是这一应用的有力候选者，因为它具有高导电性，具有电磁屏蔽功能，并且可以通过将波导浸入分散在水中的MXene中简单地制备。”。“其他金属涂料已经过测试，但由于用于稳定其金属成分的化学物质，与MXenes相比，其导电性受到影响。”

此外，研究人员报告称，MXenes涂层由于其化学结构之间的兼容性，与3D打印的尼龙波导结合得非常好。该团队浸涂了各种形状和尺寸的轻质导轨——直的、弯曲的、扭曲的和谐振器形状的——以测试MXene彻底覆盖其内部的能力

MXene涂层的尼龙波导的重量比目前使用的标准铝波导轻约八倍，MXene涂层仅使组件的总重量增加了十分之一克

最重要的是，MXene波导的性能几乎与铝波导一样好，仅在一个浸渍涂层周期后，在两个端子之间引导电磁波的效率就达到81%，仅比铝的性能下降2.3%。研究人员证明，他们可以通过改变涂层或MXene薄片的大小来提高这一传输指标，最高传输效率可达95%

当传输被调高到不同的频带时，这种性能保持稳定，例如目前用于近地轨道卫星通信的频带，以及用于这些传输的足够高的输入功率。三个月后，它也没有显著降解，这是涂层耐久性的指标

参与这项研究的德雷塞尔大学博士生Roman Rakhmanov说：“MXene涂层波导在用于卫星之前，仍需要经过广泛的测试并获得太空使用认证。”。“但这一发现可能是迈向下一代空间技术的重要一步。”

Gogotsi的团队计划继续探索MXene涂层的应用，这些应用可能受益于金属组件的替代品

Gogotsi说：“这些有希望的结果表明，MXene涂层组件可能是太空波导的一种可行的轻质替代品。”。“我们相信，涂层还可以针对不同频率的传输进行优化，并应用于各种添加剂制造或注塑成型的聚合物部件，从而提供轻质的