На этой неделе новая статья, опубликованная в журнале Nature международной группой ученых под руководством исследователей из Массачусетского технологического института, раскрывает новое устройство, которое может преобразовывать сигналы Wi-Fi в электричество, открывая дверь для беспроводного электроника и беспроводная зарядка аккумуляторов.
Новое устройство невероятно тонкое и гибкое
Устройство, официально известное как ректенна - устройство, которое может преобразовывать электромагнитные волны переменного тока в электричество постоянного тока - считывает виды электромагнитных волн, которые переносят сигналы Wi-Fi, как волны переменного тока.
Он делает это с помощью гибкой радиочастотной (РЧ) антенны, прикрепленной к полупроводнику нового типа толщиной в несколько атомов. Полупроводник получает вход переменного тока и выдает напряжение постоянного тока, которое может питать электронику или перезаряжать батареи.
Идея использования беспроводной передачи для питания устройств является старой, восходящей к Николе Тесле, но современные попытки построить эффективные ректенны столкнулись с трудностями. Критический компонент ректенны, известный как выпрямители, ранее изготавливался из очень жестких материалов, таких как кремний, и не масштабировался эффективно. Более гибкие варианты включали выпрямители, которые были слишком слабыми, чтобы улавливать высокочастотные электромагнитные передачи, которые сделали бы их функциональными.
Исследователи, стоящие за исследованием, считают, что нашли правильное решение обеих этих проблем.
Разработка нового выпрямителя
Чтобы решить эти проблемы, исследователи использовали материал под названием дисульфид молибдена (MoS2). Под воздействием определенных химических агентов MoS2 реконфигурирует свои атомы таким образом, что работает как переключатель, вызывая фазовый переход между полупроводником и металлическим веществом. Он создает так называемый диод Шоттки, переход между полупроводником и металлическим веществом.
«Путем преобразования MoS2 в двумерный полупроводниково-металлический фазовый переход», - сказал ведущий автор и MIT Electrical Engineering and Computer. Постдоктор наук Сюй Чжан: «Мы построили сверхбыстрый диод Шоттки атомарной толщины, который одновременно сводит к минимуму последовательное сопротивление и паразитную емкость».
Паразитная емкость - это естественное накопление порций проходящего электрического заряда в определенных материалах, из которых состоит выпрямитель. Это приводит к замедлению работы схемы и снижению ее эффективности.
Именно этот повышенный КПД исследовательского диода Шоттки - на несколько порядков - делает их устройство настолько мощным, поскольку его гораздо более низкая паразитная емкость по сравнению с текущими, первоклассными гибкими выпрямителями позволяет ему для захвата сигналов гораздо более высокой частоты, преобразуя до 10 ГГц беспроводных сигналов в электричество.
«Такая конструкция, - по словам Чжана, - позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое, чтобы охватить большинство радиочастотных диапазонов, используемых нашей повседневной электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовая связь LTE и многие другие.”
Превращение Wi-Fi в электричество в реальном мире
Реальные приложения для такого гибкого устройства, как это, ошеломляют. Помимо гибкой носимой электроники, которой не нужны независимые источники питания, такие как батареи, медицинские датчики, которые можно проглотить, могут извлечь большую пользу из этой технологии, поскольку они проходят через систему пациента, передавая данные по мере их прохождения.
«В идеале вы не хотите использовать батареи для питания этих систем, потому что, если они вытекут литий, пациент может умереть», - говорит Хесус Грайаль, соавтор исследования и исследователь в Технический университет Мадрида. «Гораздо лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти маленькие лаборатории внутри тела и передавать данные на внешние компьютеры».
Томас Паласиос, соавтор исследования и профессор кафедры электротехники и компьютерных наук и директор Центра графеновых устройств и 2D-систем Массачусетского технологического института/MTL в школьных лабораториях технологий микросистем, имеет еще больший план для этой технологии.
«Что, если бы мы могли разработать электронные системы, которыми мы обернем мост или покроем все шоссе, или стены нашего офиса, и привнесем электронный интеллект во все, что нас окружает? Как вы обеспечиваете энергией эту электронику?
«Мы придумали новый способ питания электронных систем будущего - собирая энергию Wi-Fi таким образом, который легко интегрируется на больших площадях, - чтобы наделить интеллектом каждый объект вокруг нас..”