Представьте себе мир, в котором смартфоны, ноутбуки, носимые устройства и другая электроника работают без аккумуляторов. Исследователи из Массачусетского технологического института и других стран сделали шаг в этом направлении, выпустив первое полностью гибкое устройство, которое может преобразовывать энергию из сигналов Wi-Fi в электричество, которое может питать электронику.

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

Устройства, которые преобразуют электромагнитные волны переменного тока в электричество постоянного тока, называются «rectennas» («ректенны»). Исследователи демонстрируют новый вид ректенн, описанный в исследовании в журнале Nature, в котором используется гибкая радиочастотная (РЧ) антенна, которая использует электромагнитные волны — в том числе те, которые несут Wi-Fi — в качестве источника переменного тока.

Затем антенна подключается к новому устройству из двухмерного полупроводника толщиной всего в несколько атомов. Сигнал переменного тока попадает в полупроводник, который преобразует его в постоянный ток, который можно использовать для питания электронных схем или перезарядки аккумуляторов.

Таким образом, устройство без батареи пассивно захватывает и преобразует повсеместные сигналы Wi-Fi в полезную мощность постоянного тока. Кроме того, устройство является гибким и может быть изготовлено целыми рулонами для покрытия очень больших площадей.

«Что, если мы могли бы разработать электронные системы, которые мы обернем вокруг моста, покроем целую магистраль или стены вашего офиса и дадим энергию всей электронике, которая вас окружает?» — говорит соавтор статьи Томас Паласиос, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук в MIT. «Мы придумали новый способ питания электронных систем будущего — собирать энергию Wi-Fi таким образом, который легко разворачивается на больших площадях — чтобы донести энергию до каждого объекта вокруг нас».


Ректенна, использующаяся для питания различных RFID (идентификационных) устройств — например, электронных меток.

Перспективные возможные сценарии использования для предлагаемой ректенны включают питание гибкой и носимой электроники, медицинских устройств и датчиков для интернета вещей. Гибкие смартфоны, например, являются новым трендом на рынке для крупных технологических фирм. В экспериментах устройство исследователей может генерировать около 40 микроватт энергии при воздействии типичных уровней мощности сигналов Wi-Fi (около 150 микроватт). Этого более чем достаточно для работы подсветки простого мобильного дисплея или кремниевых чипов.

По словам соавтора Хесуса Граьяла, исследователя из Технического университета Мадрида, есть еще одно возможное применение — обеспечение передачи данных с имплантируемых медицинских устройств. Например, исследователи уже разрабатывают «умные» таблетки, которые могут проглатывать пациенты, после чего те будут передавать данные о состоянии здоровья обратно на компьютер для диагностики.

«В идеале вы не хотите использовать аккумуляторы для питания этих систем, потому что если они будут включать литий, пациент может умереть», — говорит Граьял. «Намного лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти маленькие лаборатории внутри тела и передавать данные на внешние компьютеры».

Все ректенны полагаются на компонент, известный как «выпрямитель», который преобразует входной сигнал переменного тока в постоянный ток. Традиционные ректенны используют или кремний, или арсенид галлия для выпрямителя. Эти материалы могут работать на частотах Wi-Fi, но они жесткие. И хотя использование этих материалов для изготовления небольших устройств относительно дешево, их использование для покрытия обширных площадей, таких как поверхности зданий и стен, было бы чрезмерно дорогостоящим. Исследователи давно пытаются решить эти проблемы. Но те несколько гибких ректенн, о которых сообщалось до сих пор, работают на низких частотах и ​​не могут захватывать и преобразовывать сигналы в гигагерцовых частотах, где преобладает большинство сигналов сотового телефона и Wi-Fi.

Для создания своего выпрямителя исследователи использовали новый двумерный материал под названием дисульфид молибдена (MoS₂), который при толщине всего в три атома является одним из самых тонких полупроводниковых приборов в мире. При этом команда использовала необычное поведение MoS₂: при воздействии определенных химикатов атомы материала перестраиваются таким образом, что действует как переключатель, вызывая фазовый переход от полупроводника к металлическому материалу. Эта структура известна как диод Шоттки, который является соединением полупроводника с металлом.


Новая гибкая ректенна с дисульфидом молибдена.

«Использовав MoS₂ в двумерном полупроводниково-металлическом фазовом переходе, мы создали атомно-тонкий сверхбыстрый диод Шоттки, который одновременно минимизирует сопротивление и паразитную емкость», — говорит первый автор и постдок EECS Сюй Чжан.

Паразитная емкость — это неизбежная ситуация в электронике, когда некоторые материалы накапливают небольшой электрический заряд, что замедляет цепь. Следовательно, более низкая емкость означает повышенную скорость работы выпрямителя и более высокие рабочие частоты. Паразитная емкость нового диода Шоттки на порядок меньше, чем у современных современных гибких выпрямителей, поэтому он работает намного быстрее при преобразовании сигналов и позволяет работать в диапазоне волн до 10 гигагерц.

«Такая конструкция позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое для охвата большинства радиочастотных диапазонов, используемых нашей повседневной электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовую связь, LTE и многие другие», — говорит Чжан.

Описанная работа предоставляет чертежи для других гибких устройств, преобразующих Wi-Fi в электричество со значительной производительностью и эффективностью. Максимальная выходная эффективность для текущего устройства составляет 40 процентов, в зависимости от входной мощности входа Wi-Fi. При типичном уровне мощности Wi-Fi коэффициент полезного действия выпрямителя с использованием MoS₂ составляет около 30 процентов. Для справки, лучшие на сегодняшний день ректенны, изготовленные из жесткого более дорогого арсенида кремния и галлия, имеют КПД до примерно 50-60 процентов.

Сейчас команда, включающая в себя более 15 исследователей, планирует построить более сложные системы и повысить эффективность. Работа стала возможной, в частности, благодаря сотрудничеству с Техническим университетом Мадрида в рамках Международной научно-технической инициативы MIT (MISTI).