Представете си свят, в който смартфони, лаптопи, носими устройства и друга електроника работят без батерии. Изследователи от Масачузетския технологичен институт направиха стъпка в тази посока с пускането на първото напълно гъвкаво устройство, което може да преобразува енергията от Wi-Fi сигналите в електричество в силова електроника.
Какво е ректена
Ретената е устройство, което преобразува електромагнитните вълни с променлив ток в постоянен ток. Изследователите описаха нов вид в списание Nature. Той използва гъвкава радиочестотна антена, която улавя електромагнитни вълни, включително Wi-Fi. Той се свързва с двуизмерен полупроводник с дебелина няколко атома. Променливият ток се влива в полупроводника, който го преобразува в постоянен ток, което ви позволява да захранвате електронни вериги или да зареждате батерии.
По този начин устройството пасивно улавя и преобразува Wi-Fi сигнали в DC. Той е гъвкав и може да се произвежда на рула, за да покрие голяма площ.
Новият начин за захранване на Интернет на нещата
„Ами ако създадем електронни системи, които се увиват около мост или покриват цяла стена на магистрала или офис и дават електронен интелект на всичко, което ни заобикаля? Как захранваме цялата тази електроника? Пита съавтор Томас Паласиос, професор в Катедрата по електротехника и компютърни науки и директор на Центъра за графенови устройства и 2D системи в лаборатории за микросистемни технологии. „Измислихме нов начин за захранване на електронните системи на бъдещето, събирайки Wi-Fi енергия по начин, който може лесно да се интегрира върху големи площи, така че всички обекти около нас да получат интелигентност.“
Промоционално видео:
Обещаващите ранни приложения за предложената ретена включват захранване на гъвкава и носима електроника, медицински устройства и IoT сензори. Гъвкавите смартфони например са горещ нов пазар за големите технологични фирми. Експерименталното устройство генерира около 40 μW мощност, когато е изложено на типични нива на мощност на Wi-Fi сигнала (около 150 μW). Това е повече от достатъчно, за да светне обикновен дисплей на мобилен телефон или захранващи чипове.
Приложение в медицината
Според изследовател от Техническия университет в Мадрид, Jesús Grajal, едно от възможните приложения на разработката е да осигури предаване на данни за имплантируеми медицински изделия. Например хапчета, които ще предават данни за здравето на пациента на компютър за последваща диагностика.
„Опасно е да се използват батерии за захранване на тези системи, защото ако литийът изтече, пациентът ще умре“, казва Грахал. "Много по-добре е да събираме енергия от околната среда, за да захранваме тези малки лаборатории в тялото и да предаваме данни на външни компютри."
Гъвкав токоизправител
Всички ретенни разчитат на компонент, известен като "токоизправител", който преобразува AC в DC. В традиционните ректи, токоизправителят е направен от силиций или галиев арсенид. Тези материали могат да покриват Wi-Fi честоти, но са здрави. Въпреки че са сравнително евтини за използване за направата на малки устройства, покриването на големи площи, като повърхностите на сградите и стените, би било прекалено скъпо. Изследователите отдавна се опитват да разрешат тези проблеми. Но няколко гъвкави ретенни, за които се съобщава досега, работят на ниски честоти и не могат да улавят и преобразуват гигагерцови сигнали, каквито са повечето сигнали за мобилен телефон и Wi-Fi.
За да създадат своя токоизправител, изследователите са използвали нов двуизмерен материал, молибден дисулфид (MoS2), който с дебелина 3 атома е едно от най-тънките полупроводникови устройства в света. Екипът използва необичайното поведение на MoS2: когато е изложен на определени химикали, атомите на материала се пренареждат по такъв начин, че да действа като превключвател, причинявайки фазов преход от полупроводник към метален материал. Тази структура е известна като диод на Шотки.
„Чрез създаването на MoS2 във фаза 2D полупроводник-метал, ние изградихме тънък, ултра бърз диод на Шотки, който едновременно минимизира серийното съпротивление и паразитния капацитет“, казва авторът на проекта Сю Джанг.
Паразитният капацитет е неизбежен в електрониката. Някои материали натрупват малък електрически заряд, който забавя веригата. Следователно по-ниският капацитет означава по-високи скорости на токоизправителя и по-високи работни честоти. Паразитният капацитет на диод на Шотки е с порядък по-малък от съвременните гъвкави токоизправители, така че преобразува сигнала много по-бързо и ви позволява да уловите и преобразувате до 10 GHz.
„Този дизайн има напълно гъвкаво устройство, което е достатъчно бързо, за да покрие повечето радиочестотни ленти, използвани от ежедневната електроника, включително Wi-Fi, Bluetooth, клетъчен LTE и други“, казва Джанг.
Ефективност на гъвкавата ретена
В описаната работа са предложени чертежи на други високоефективни гъвкави устройства. Максималната ефективност на изхода на текущото устройство е средно 40% и зависи от мощността на Wi-Fi. Изправителят MoS2 има типична ефективност от 30%. За справка, ефективността на ретените, направени от по-твърд и по-скъп силиций или галиев арсенид, достига 50-60%.
Сега екипът за разработка планира да изгради по-сложни системи и да подобри ефективността на технологията.
Автор: Сергей Проц