Stel je een wereld voor waarin smartphones, laptops, wearables, en andere elektronica werken zonder batterijen. Onderzoekers van MIT en elders hebben een stap in die richting gezet, met het eerste volledig flexibele apparaat dat energie van wifi-signalen kan omzetten in elektriciteit die elektronica kan aandrijven.

Apparaten die AC-elektromagnetische golven omzetten in DC-elektriciteit staan ​​bekend als "rectenna's". De onderzoekers demonstreren een nieuw soort rectenna, beschreven in een studie die verschijnt in Natuur , die gebruikmaakt van een flexibele radiofrequentie (RF) antenne die elektromagnetische golven opvangt, inclusief die met wifi, als wisselstroomgolfvormen.

De antenne wordt vervolgens verbonden met een nieuw apparaat dat is gemaakt van een tweedimensionale halfgeleider van slechts enkele atomen dik. Het wisselstroomsignaal gaat de halfgeleider in, die het omzet in een gelijkspanning die kan worden gebruikt om elektronische circuits van stroom te voorzien of om batterijen op te laden.

Op deze manier, het batterijloze apparaat vangt passief alomtegenwoordige Wi-Fi-signalen op en zet deze om in bruikbare gelijkstroom. Bovendien, het apparaat is flexibel en kan worden vervaardigd in een roll-to-roll-proces om zeer grote oppervlakken te bestrijken.

"Wat als we elektronische systemen zouden kunnen ontwikkelen die we rond een brug wikkelen of een hele snelweg bedekken, of de muren van ons kantoor en elektronische intelligentie naar alles om ons heen brengen? Hoe zorg je voor energie voor die elektronica?", zegt medeauteur Tomás Palacios, een professor in de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen en directeur van het MIT/MTL Center for Graphene Devices and 2-D Systems in the Microsystems Technology Laboratories. "We hebben een nieuwe manier bedacht om de elektronische systemen van de toekomst van stroom te voorzien - door wifi-energie te oogsten op een manier die gemakkelijk in grote gebieden kan worden geïntegreerd - om elk object om ons heen intelligent te maken."

Veelbelovende vroege toepassingen voor de voorgestelde rectenna omvatten het aandrijven van flexibele en draagbare elektronica, medische apparatuur, en sensoren voor het 'internet of things'. Flexibele smartphones, bijvoorbeeld, zijn een hete nieuwe markt voor grote technologiebedrijven. Bij experimenten, het apparaat van de onderzoekers kan ongeveer 40 microwatt aan vermogen produceren wanneer het wordt blootgesteld aan de typische vermogensniveaus van wifi-signalen (ongeveer 150 microwatt). Dat is meer dan genoeg vermogen om een ​​eenvoudig mobiel display of siliciumchips te verlichten.

Een andere mogelijke toepassing is het aandrijven van de datacommunicatie van implanteerbare medische apparaten, zegt co-auteur Jesús Grajal, een onderzoeker aan de Technische Universiteit van Madrid. Bijvoorbeeld, onderzoekers beginnen pillen te ontwikkelen die door patiënten kunnen worden ingeslikt en die gezondheidsgegevens terugsturen naar een computer voor diagnostiek.

"Idealiter wil je geen batterijen gebruiken om deze systemen van stroom te voorzien, want als ze lithium lekken, de patiënt kan overlijden, " Grajal zegt. "Het is veel beter om energie uit de omgeving te halen om deze kleine laboratoria in het lichaam van stroom te voorzien en gegevens door te geven aan externe computers."

Alle rectenna's zijn afhankelijk van een component die bekend staat als een "gelijkrichter, " die het AC-ingangssignaal omzet in gelijkstroom. Traditionele rectenna's gebruiken silicium of galliumarsenide voor de gelijkrichter. Deze materialen kunnen de wifi-band bedekken, maar ze zijn stijf. En, hoewel het gebruik van deze materialen om kleine apparaten te fabriceren relatief goedkoop is, ze gebruiken om uitgestrekte gebieden te bestrijken, zoals de oppervlakken van gebouwen en muren, zou onbetaalbaar zijn. Onderzoekers proberen deze problemen al heel lang op te lossen. Maar de weinige flexibele rectenna's die tot nu toe zijn gemeld, werken op lage frequenties en kunnen geen signalen opvangen en omzetten in gigahertz-frequenties. waar de meeste relevante mobiele telefoon- en wifi-signalen zijn.

Om hun gelijkrichter te bouwen, de onderzoekers gebruikten een nieuw 2D-materiaal genaamd molybdeendisulfide (MoS2), die met een dikte van drie atomen een van de dunste halfgeleiders ter wereld is. Daarbij, het team maakte gebruik van een uniek gedrag van MoS2:bij blootstelling aan bepaalde chemicaliën, de atomen van het materiaal herschikken op een manier die werkt als een schakelaar, het forceren van een faseovergang van een halfgeleider naar een metallisch materiaal. Deze structuur staat bekend als een Schottky-diode, dat is de kruising van een halfgeleider met een metaal.

"Door MoS2 te construeren tot een 2-D halfgeleidende-metalen faseovergang, we bouwden een atomair dun, ultrasnelle Schottky-diode die tegelijkertijd de serieweerstand en parasitaire capaciteit minimaliseert, " zegt eerste auteur en EECS-postdoc Xu Zhang, die binnenkort aan de Carnegie Mellon University zal werken als assistent-professor.

Parasitaire capaciteit is een onvermijdelijke situatie in de elektronica waar bepaalde materialen een beetje elektrische lading opslaan, wat het circuit vertraagt. Lagere capaciteit, daarom, betekent hogere gelijkrichtersnelheden en hogere werkfrequenties. De parasitaire capaciteit van de Schottky-diode van de onderzoekers is een orde van grootte kleiner dan de moderne flexibele gelijkrichters van vandaag. dus het is veel sneller bij signaalconversie en stelt het in staat om tot 10 gigahertz aan draadloze signalen vast te leggen en om te zetten.

"Een dergelijk ontwerp heeft een volledig flexibel apparaat mogelijk gemaakt dat snel genoeg is om de meeste radiofrequentiebanden te dekken die worden gebruikt door onze dagelijkse elektronica, inclusief wifi, Bluetooth, mobiele LTE, en vele anderen, "zegt Zhang.

Het gerapporteerde werk biedt blauwdrukken voor andere flexibele wifi-naar-elektriciteitsapparaten met een aanzienlijke output en efficiëntie. De maximale output-efficiëntie voor het huidige apparaat staat op 40 procent, afhankelijk van het ingangsvermogen van de Wi-Fi-ingang. Op het typische Wi-Fi-vermogensniveau, de energie-efficiëntie van de MoS2-gelijkrichter is ongeveer 30 procent. Als referentie, de beste rectenna's van silicium en galliumarsenide van vandaag gemaakt van stijf, duurdere silicium of galliumarsenide halen ongeveer 50 tot 60 procent.

Er zijn 15 andere papieren co-auteurs van MIT, Technische Universiteit van Madrid, het legeronderzoekslaboratorium, Karel III Universiteit van Madrid, De Universiteit van Boston, en de Universiteit van Zuid-Californië.

Het team is nu van plan om complexere systemen te bouwen en de efficiëntie te verbeteren. Het werk is mogelijk gemaakt, gedeeltelijk, door een samenwerking met de Technische Universiteit van Madrid via de MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI). Het werd ook gedeeltelijk ondersteund door het Institute for Soldier Nanotechnologies, het legeronderzoekslaboratorium, het National Science Foundation's Center for Integrated Quantum Materials, en het Air Force Office of Scientific Research.