Iedomājieties pasauli, kurā viedtālruņi, klēpjdatori, valkājamie piederumi un cita elektronika darbojas bez akumulatoriem. Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta pētnieki ir spēruši soli šajā virzienā, izlaižot pirmo pilnībā elastīgo ierīci, kas Wi-Fi signālu enerģiju var pārvērst elektrībā par enerģijas elektroniku.
Kas ir taisna
Taisngrieze ir ierīce, kas pārveido maiņstrāvas elektromagnētiskos viļņus līdzstrāvā. Pētnieki aprakstīja jaunu sugu žurnālā Nature. Tas izmanto elastīgu radiofrekvenču antenu, kas uztver elektromagnētiskos viļņus, ieskaitot Wi-Fi. Tas savienojas ar divdimensiju pusvadītāju, kura biezums ir vairāki atomi. Maiņstrāva ieplūst pusvadītājā, kas to pārveido par līdzstrāvu, kas ļauj darbināt elektroniskās ķēdes vai uzlādēt baterijas.
Tādējādi ierīce pasīvi uztver un pārveido Wi-Fi signālus līdzstrāvā. Tas ir elastīgs un to var ražot ruļļos, lai segtu lielu platību.
Jauns veids, kā apgūt lietisko internetu
“Ko darīt, ja mēs izveidojam elektroniskas sistēmas, kas aptver tiltu vai pārklāj visu šosejas vai biroja sienas un piešķir elektronisko izlūkošanas informāciju visam, kas mūs ieskauj? Kā mēs darbinām visu šo elektroniku? Jautā līdzautors Tomass Palacioss, Elektrotehnikas un datorzinātņu katedras profesors un Grafēna ierīču un 2D sistēmu centra direktors mikrosistēmu tehnoloģiju laboratorijās. "Mēs esam izdomājuši jaunu veidu, kā darbināt nākotnes elektroniskās sistēmas, iegūstot Wi-Fi enerģiju tādā veidā, ko var viegli integrēt lielās teritorijās, lai visi apkārtējie objekti iegūtu intelektu."
Reklāmas video:
Piedāvātās taisnleņķa daudzsološās agrīnās lietojumprogrammas ietver elastīgas un valkājamas elektronikas, medicīnas ierīču un IoT sensoru barošanu. Piemēram, elastīgie viedtālruņi ir jauns karsts tirgus lielajām tehnoloģiju firmām. Eksperimentālā ierīce ģenerē aptuveni 40 μW jaudu, pakļaujoties tipiskiem Wi-Fi signāla jaudas līmeņiem (apmēram 150 μW). Tas ir vairāk nekā pietiekami, lai iedegtos vienkāršs mobilā tālruņa displejs vai strāvas mikroshēmas.
Pielietojums medicīnā
Pēc Madrides Tehniskās universitātes pētnieka Jesús Grajal teiktā, viens no iespējamiem izstrādes pielietojumiem ir nodrošināt datu pārraidi implantējamām medicīnas ierīcēm. Piemēram, tabletes, kas datus par pacienta veselību pārsūtīs uz datoru, lai veiktu turpmāku diagnostiku.
"Ir bīstami izmantot baterijas, lai darbinātu šīs sistēmas, jo, ja litijs noplūdīs, pacients nomirs," saka Grehals. "Daudz labāk ir iegūt enerģiju no vides, lai darbinātu šīs mazās laboratorijas ķermeņa iekšienē un pārsūtītu datus uz ārējiem datoriem."
Elastīgs taisngriezis
Visas taisnstūris paļaujas uz komponentu, kas pazīstams kā "taisngriezis", kas pārveido maiņstrāvu par līdzstrāvu. Tradicionālajās taisnstūrīs taisngriezis ir izgatavots no silīcija vai gallija arsenīda. Šie materiāli var aptvert Wi-Fi frekvences, taču tie ir grūts. Neskatoties uz to, ka tos ir salīdzinoši lēti izmantot nelielu ierīču izgatavošanai, lielu platību, piemēram, ēku un sienu, pārklāšana būtu pārmērīgi dārga. Pētnieki jau sen mēģināja atrisināt šīs problēmas. Bet daži līdz šim ziņotie elastīgie taisnstūri darbojas zemās frekvencēs un nespēj uztvert un pārveidot gigahercu signālus, kas ir lielākā daļa mobilo tālruņu un Wi-Fi signālu.
Lai izveidotu to taisngriezi, pētnieki izmantoja jaunu divdimensiju materiālu - molibdēna disulfīdu (MoS2), kas 3 atomu biezumā ir viena no plānākajām pusvadītāju ierīcēm pasaulē. Komanda izmantoja neparastu MoS2 uzvedību: pakļaujoties noteiktām ķīmiskām vielām, materiāla atomi pārkārtojas tā, ka tas darbojas kā slēdzis, izraisot fāzes pāreju no pusvadītāja uz metāla materiālu. Šī struktūra ir pazīstama kā Šotka diode.
"Izveidojot MoS2 2D pusvadītāju un metāla fāzu pārejā, mēs izveidojām plānu, īpaši ātru Šotka diodi, kas vienlaikus samazina sērijas pretestību un parazītisko kapacitāti," saka projekta autors Sju Džans.
Parazitārā kapacitāte elektronikā ir neizbēgama. Daži materiāli veido nelielu elektrisko lādiņu, kas palēnina ķēdi. Līdz ar to zemāka kapacitāte nozīmē lielāku taisngrieža ātrumu un augstākas darbības frekvences. Šotka diodes parazitārā kapacitāte ir par mazāku par mūsdienu elastīgajiem taisngriežiem, tāpēc tā pārveido signālu daudz ātrāk un ļauj uztvert un pārveidot līdz 10 GHz.
"Šim dizainam ir pilnīgi elastīga ierīce, kas ir pietiekami ātra, lai aptvertu lielāko daļu radiofrekvenču joslu, ko izmanto ikdienas elektronika, ieskaitot Wi-Fi, Bluetooth, mobilo LTE un daudz ko citu," saka Džans.
Elastīgās taisnās līnijas efektivitāte
Aprakstītajā darbā tiek piedāvāti citu augstas veiktspējas elastīgu ierīču rasējumi. Pašreizējās ierīces maksimālā izejas efektivitāte ir vidēji 40% un atkarīga no Wi-Fi jaudas. Taisngrieža MoS2 tipiskā efektivitāte ir 30%. Atsauces nolūkā taisnstūru efektivitāte, kas izgatavota no cietāka un dārgāka silīcija vai gallija arsenīda, sasniedz 50-60%.
Izstrādes komanda tagad plāno veidot sarežģītākas sistēmas un uzlabot tehnoloģijas efektivitāti.
Autors: Sergejs Prots