Una antena rectificadora flexible de disulfur de molibdè com a carregador elèctric sense fils

Electrònica: L’electrònica flexible es fonamenta en l’aprofitament de les propietats mecàniques i electròniques de materials bidimensionals. Quan diem que som bidimensionals, volem dir que es tracta de làmines amb un gruix monoatòmic. Aquests materials són la base de l’anomenada “pell intel·ligent”, que podria recobrir tota mena d’objectes quotidians fent-los part d’una xarxa sensorial i efectora. La ciència dels materials treballa activament en el desenvolupament de tècniques de síntesi a gran escala de transistors bidimensionals, de sensors bidimensionals, de dispositius bidimensionals de memòria, etc. Però si molts d’aquests components ja han estat demostrats, si més no en el laboratori, hi ha oberta encara la qüestió de l’alimentació elèctrica d’aquesta pell intel·ligent. És necessari que aquest sistema d’alimentació sigui eficient, flexible i sempre connectat, si hom vol dotar d’autonomia aquests sistemes. La futura electrònica distribuïda hauria d’utilitzar una font energètica prou ubiqua i difusa, i així s’ha pensat en la radiació electromagnètica de sistemes Wi-Fi. La transmissió d’energia sense fils no és pas una idea nova, i són especialment recordats els intents de Nikola Tesla realitzats a partir del 1890. Pel que fa als sistemes Wi-Fi, aquests operen a freqüències de 2,4 i de 5,9 GHz, uns valors massa elevats per als acumuladors de radiofreqüència basats en les antenes rectificadores (rectennes) fabricades amb semiconductors flexibles. Un grup d’investigadors coordinat per Tomás Palacios, professor d’enginyeria elèctrica i ciència computacional del MIT, ha desenvolupat una rectenna bidimensional i flexible capaç de recollir energia electromagnètica de la banda Wi-Fi. La demostració d’aquesta rectenna apareix ara en forma d’article a la revista Nature.

Esquema de la fabricació de la rectenna de MoS2 i del seu funcionament a diferents freqüències

Una rectenna flexible per a la captació d’energia de les xarxes Wi-Fi

La concepció d’aquest projecte i el disseny dels experiments foren realitzats per Zhang Xu i Tomás Palacions, del Department of Electrical Engineering and Computer Science, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), amb seu a Cambridge, MA. Zhang fabricà els dispositius flexibles al MIT Microsystems Technology Laboratories. Les mesures d’alta freqüència les dugueren a terme Jesús Grajal (del Centre de Processament d’Informació i Telecomunicacions, de la Universidad Politécnica de Madrd), Zhang i Ujwal Radhakrishna (del Departament d’Enginyeria Elèctrica del MIT). El modelat de circuits i l’anàlisi de dades la feren Grajal i Zhang. El canvi de fase química de les mostres de disulfur de molibdè (MoS2) el realitzaren Wang Xiaoxue (del Department of Chemical Engineering del MIT) i Zhang. L’estudi espectroscòpic el feren Zhang, Wang i Zhou Lin (del Departament d’Enginyeria Elèctrica del MIT) al Cornell Center for Materials Research Shared Facilities. El perfil de capacitància-voltatge l’obtingueren Winston Chern (del Department d’Enginyeria Elèctrica del MIT) i Zhang. Jose Luis Vazquez-Roy (del Departament de Teoria de Senyals i de Comunicacions de la Universidad Carlos III de Madrd) i Grajal dissenyaren i fabricaren l’antena flexible. Del Departament d’Enginyeria Elèctrica del MIT també contribuïren en la interpretació de les dades i en la redacció de l’article Lin Yuxuan, Shen Pin-Chun, Ji Xiang, Ahmad Zubair, Zhang Yuhao, Kong Jing i Mildred Dresselhaus (que també és membre del Departament de Física del MIT). També hi contribuïren Ling Xi (del Department of Chemistry de la Boston University), Wang Han (del Ming Hsieh Department of Electrical Engineering de la University of Southern California, de Los Angeles) i Madan Dubey (de l’Army Research Laboratory, a Adelphi, Maryland). Els autors també agraeixen les aportacions de K. Gleason i A. Nourbakhsh, així com als revisors de l’article. El procés de revisió no fou gens fàcil, ja que si Nature va rebre l’article el 4 de juliol del 2017, no l’acceptà fins el 30 de novembre del 2018.

La recerca fou finançada a través del projecte W911NF-14-2-0102 (del Laboratori de Recerca de l’Exèrcit), del projecte DMR-1231319 (de l’STC Center for Integrated Quantum Materials, de l’NSF), del projecte FA9550-15-1-0514 (de l’Air Force Office of Scientific Research) i del DMR-1507806 (del NSF Center for Energy Efficient Electronics Science). La fabricació del dispositiu es va fer als MIT Microsystems Technology Laboratories.

La rectenna flexible i de gruix atòmic de Zhang et al. es basa en una heterojunció de fase semiconductora-metàl·lica de MoS2, amb una freqüència de tall de 10 GHz.

Les prestacions de la rectenna flexible bidimensional de MoS2

Aquesta dispositiu ofereix una velocitat de vegades superior als rectificadors flexibles desenvolupats en els darrers anys. Aquest dispositiu flexible és operatiu fins a la banda X de l’espectre electromagnètic (8-12 GHz). Cobreix, doncs, la majoria de la banda de radioones que actualment és ocupada per emissions industrials, científiques i mèdiques i, particularment, pels canals Wi-Fi.

El rectificador ultraràpid de MoS2 s’integra amb una antena flexible de banda Wi-Fi per formar una rectenna flexible i integrada. Aquesta rectenna és capaç d’acumular energia a partir de la radiació electromagnètica de la banda Wi-Fi sense biaix externa. Pot aprofitar, de fet, una banda encara més àmplia, que va més enllà dels 10 GHz.

Zhang et al. consideren que aquesta rectenna podria constituir un component universal d’acumulació d’energia per als sistemes electrònics flexibles.

Lligams:

Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting. Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus, Tomás Palacios. Nature (2019).

Aquesta entrada ha esta publicada en 6. La Civilització. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada