Imagine un mundo donde los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles, los dispositivos portátiles y otros dispositivos electrónicos funcionan sin baterías. Los investigadores del MIT y de otros lugares han dado un paso en esa dirección, con el primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales de Wi-Fi en electricidadeso podría alimentar la electrónica.
Los dispositivos que convierten las ondas electromagnéticas de CA en electricidad de CC se conocen como "rectennas". Los investigadores demuestran un nuevo tipo de rectenna, descrito en un estudio que aparece en Naturaleza , que utiliza una antena flexible de radiofrecuencia RF que captura ondas electromagnéticas, incluidas las que llevan Wi-Fi, como formas de onda de CA.
La antena se conecta a un dispositivo novedoso hecho de un semiconductor bidimensional de unos pocos átomos de espesor. La señal de CA viaja al semiconductor, que lo convierte en un voltaje de CC que podría usarse para alimentar circuitos electrónicos o recargarbaterías.
De esta forma, el dispositivo sin batería captura y transforma pasivamente las señales ubicuas de Wi-Fi en energía de CC útil. Además, el dispositivo es flexible y puede fabricarse en un proceso de rollo a rollo para cubrir áreas muy grandes.
"¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos que envuelvan alrededor de un puente o cubran una carretera completa, o las paredes de nuestra oficina y lleven inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo proporciona energía para esos dispositivos electrónicos?", Dice paper co-autor Tomás Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del Centro MIT / MTL para Dispositivos de Grafeno y Sistemas 2D en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas. "Hemos encontrado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos.del futuro, al aprovechar la energía de Wi-Fi de una manera que se integra fácilmente en grandes áreas, para llevar inteligencia a cada objeto que nos rodea "
Las primeras aplicaciones prometedoras para la rectenna propuesta incluyen alimentar dispositivos electrónicos flexibles y portátiles, dispositivos médicos y sensores para el "Internet de las cosas". Los teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado para las principales empresas de tecnología. En experimentos, los investigadores'el dispositivo puede producir alrededor de 40 microwatts de potencia cuando se expone a los niveles de potencia típicos de las señales de Wi-Fi alrededor de 150 microwatts. Eso es más que suficiente potencia para iluminar una simple pantalla móvil o chips de silicio.
Otra posible aplicación es potenciar las comunicaciones de datos de dispositivos médicos implantables, dice el coautor Jesús Grajal, investigador de la Universidad Técnica de Madrid. Por ejemplo, los investigadores están comenzando a desarrollar píldoras que los pacientes pueden tragar y transmitir datos de saludvolver a una computadora para el diagnóstico.
"Idealmente, no desea usar baterías para alimentar estos sistemas, porque si gotean litio, el paciente podría morir", dice Grajal. "Es mucho mejor cosechar energía del ambiente para encender estos pequeños laboratorios en el interiorel cuerpo y comunicar datos a computadoras externas "
Todas las rectennas se basan en un componente conocido como "rectificador", que convierte la señal de entrada de CA en corriente continua. Las rectennas tradicionales usan silicio o arseniuro de galio para el rectificador. Estos materiales pueden cubrir la banda Wi-Fi, pero sonrígido. Y, aunque usar estos materiales para fabricar dispositivos pequeños es relativamente económico, usarlos para cubrir vastas áreas, como las superficies de edificios y paredes, sería prohibitivo. Los investigadores han estado tratando de solucionar estos problemas durante mucho tiempoPero las pocas rectennas flexibles reportadas hasta ahora operan a bajas frecuencias y no pueden capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios, donde se encuentran la mayoría de las señales relevantes de teléfonos celulares y Wi-Fi.
Para construir su rectificador, los investigadores utilizaron un nuevo material en 2-D llamado disulfuro de molibdeno MoS 2 , que con tres átomos de espesor es uno de los semiconductores más delgados del mundo.Al hacerlo, el equipo aprovechó un comportamiento singular de MoS 2 : cuando se exponen a ciertos químicos, los átomos del material se reorganizan de una manera que actúa como un interruptor, forzando una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. Esta estructura se conoce como diodo Schottky, que es la unión de un semiconductorcon un metal
"Por ingeniería de MoS 2 en una unión de fase semiconductora-metálica 2-D, construimos un diodo Schottky ultrarrápido y atómicamente delgado que minimiza simultáneamente la resistencia en serie y la capacidad parasitaria ", dice el primer autor y postdoc EECS Xu Zhang, quien pronto se unirá a la Universidad Carnegie Mellon comoun profesor asistente
La capacitancia parasitaria es una situación inevitable en la electrónica donde ciertos materiales almacenan una pequeña carga eléctrica, lo que ralentiza el circuito. Por lo tanto, una capacitancia más baja significa mayores velocidades del rectificador y frecuencias de operación más altas. La capacitancia parásita del diodo Schottky de los investigadores es unorden de magnitud más pequeño que los rectificadores flexibles de última generación, por lo que es mucho más rápido en la conversión de señal y le permite capturar y convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.
"Este diseño ha permitido un dispositivo totalmente flexible que es lo suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia utilizadas por nuestros dispositivos electrónicos diarios, incluidos Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular y muchos otros", dice Zhang.
El trabajo reportado proporciona planos para otros dispositivos flexibles de Wi-Fi a electricidad con salida y eficiencia sustanciales. La eficiencia de salida máxima para el dispositivo actual es del 40 por ciento, dependiendo de la potencia de entrada de la entrada de Wi-Fi.el nivel de energía típico de Wi-Fi, la eficiencia energética del MoS 2 el rectificador es de aproximadamente el 30 por ciento. Como referencia, las mejores rectennas de arseniuro de silicio y galio de hoy en día hechas de silicio o arseniuro de galio rígidos y más caros alcanzan alrededor del 50 al 60 por ciento.
Hay otros 15 coautores en papel del MIT, la Universidad Técnica de Madrid, el Laboratorio de Investigación del Ejército, la Universidad Charles III de Madrid, la Universidad de Boston y la Universidad del Sur de California.
El equipo ahora planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia. El trabajo fue posible, en parte, gracias a una colaboración con la Universidad Técnica de Madrid a través de las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología del MIT MISTI. También fue parcialmentecon el apoyo del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, el Laboratorio de Investigación del Ejército, el Centro de Materiales Cuánticos Integrados de la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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