Immagina un mondo in cui gli smartphone, computer portatili, Indossabili, e altri dispositivi elettronici sono alimentati senza batterie. I ricercatori del MIT e altrove hanno fatto un passo in quella direzione, con il primo dispositivo completamente flessibile in grado di convertire l'energia dai segnali Wi-Fi in elettricità che potrebbe alimentare l'elettronica.

I dispositivi che convertono le onde elettromagnetiche CA in elettricità CC sono noti come "rectennas". I ricercatori dimostrano un nuovo tipo di rectenna, descritto in uno studio apparso in Natura , che utilizza un'antenna a radiofrequenza (RF) flessibile che cattura le onde elettromagnetiche, comprese quelle che trasportano il Wi-Fi, come forme d'onda CA.

L'antenna viene quindi collegata a un nuovo dispositivo costituito da un semiconduttore bidimensionale dello spessore di pochi atomi. Il segnale AC viaggia nel semiconduttore, che lo converte in una tensione continua che potrebbe essere utilizzata per alimentare circuiti elettronici o ricaricare batterie.

In questo modo, il dispositivo senza batteria cattura e trasforma passivamente i segnali Wi-Fi onnipresenti in un'utile alimentazione CC. Inoltre, il dispositivo è flessibile e può essere fabbricato in un processo roll-to-roll per coprire aree molto grandi.

"E se potessimo sviluppare sistemi elettronici che avvolgiamo attorno a un ponte o copriamo un'intera autostrada, o le pareti del nostro ufficio e portare l'intelligenza elettronica a tutto ciò che ci circonda? Come fornisci energia per quei dispositivi elettronici?" afferma il coautore della carta Tomás Palacios, professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore del MIT/MTL Center for Graphene Devices and 2-D Systems nei Microsystems Technology Laboratories. "Abbiamo escogitato un nuovo modo per alimentare i sistemi elettronici del futuro, raccogliendo l'energia Wi-Fi in un modo facilmente integrabile in vaste aree, per portare l'intelligenza a ogni oggetto intorno a noi".

Le prime applicazioni promettenti per la rectenna proposta includono l'alimentazione di dispositivi elettronici flessibili e indossabili, dispositivi medici, e sensori per "l'internet delle cose". Smartphone flessibili, ad esempio, sono un nuovo mercato caldo per le principali aziende tecnologiche. Negli esperimenti, il dispositivo dei ricercatori può produrre circa 40 microwatt di potenza se esposto ai tipici livelli di potenza dei segnali Wi-Fi (circa 150 microwatt). È una potenza più che sufficiente per illuminare un semplice display mobile o chip di silicio.

Un'altra possibile applicazione è l'alimentazione delle comunicazioni dati dei dispositivi medici impiantabili, afferma il co-autore Jesús Grajal, ricercatore presso l'Università Tecnica di Madrid. Per esempio, i ricercatori stanno iniziando a sviluppare pillole che possono essere ingerite dai pazienti e ritrasmettere i dati sanitari a un computer per la diagnostica.

"Idealmente non vuoi usare le batterie per alimentare questi sistemi, perché se perdono litio, il paziente potrebbe morire, " Dice Grajal. "È molto meglio raccogliere energia dall'ambiente per alimentare questi piccoli laboratori all'interno del corpo e comunicare dati a computer esterni".

Tutte le rectenna si basano su un componente noto come "raddrizzatore, " che converte il segnale di ingresso CA in alimentazione CC. Le rectenna tradizionali utilizzano silicio o arseniuro di gallio per il raddrizzatore. Questi materiali possono coprire la banda Wi-Fi, ma sono rigidi. E, sebbene l'utilizzo di questi materiali per fabbricare piccoli dispositivi sia relativamente economico, utilizzandoli per coprire vaste aree, come le superfici di edifici e pareti, sarebbe proibitivo in termini di costi. I ricercatori hanno cercato di risolvere questi problemi per molto tempo. Ma le poche rectenna flessibili segnalate finora operano a basse frequenze e non possono catturare e convertire i segnali in frequenze gigahertz, dove si trovano la maggior parte dei telefoni cellulari e dei segnali Wi-Fi pertinenti.

Per costruire il loro raddrizzatore, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo materiale 2-D chiamato bisolfuro di molibdeno (MoS2), che a tre atomi di spessore è uno dei semiconduttori più sottili al mondo. Così facendo, il team ha sfruttato un comportamento singolare di MoS2:quando esposto a determinate sostanze chimiche, gli atomi del materiale si riorganizzano in un modo che agisce come un interruttore, forzare una transizione di fase da un semiconduttore a un materiale metallico. Questa struttura è nota come diodo Schottky, che è la giunzione di un semiconduttore con un metallo.

"Ingegnerizzando MoS2 in una giunzione di fase semiconduttiva-metallica 2-D, abbiamo costruito un atomicamente sottile, Diodo Schottky ultraveloce che minimizza contemporaneamente la resistenza in serie e la capacità parassita, " dice il primo autore e postdoc EECS Xu Zhang, che presto entrerà a far parte della Carnegie Mellon University come assistente professore.

La capacità parassita è una situazione inevitabile nell'elettronica in cui alcuni materiali immagazzinano una piccola carica elettrica, che rallenta il circuito. capacità inferiore, perciò, significa velocità del raddrizzatore più elevate e frequenze operative più elevate. La capacità parassita del diodo Schottky dei ricercatori è di un ordine di grandezza inferiore rispetto ai raddrizzatori flessibili all'avanguardia di oggi, quindi è molto più veloce nella conversione del segnale e consente di acquisire e convertire fino a 10 gigahertz di segnali wireless.

"Un tale design ha permesso un dispositivo completamente flessibile che è abbastanza veloce da coprire la maggior parte delle bande di radiofrequenza utilizzate dalla nostra elettronica quotidiana, compreso Wi-Fi, Bluetooth, LTE cellulare, e molti altri, " dice Zhang.

Il lavoro riportato fornisce progetti per altri dispositivi Wi-Fi-elettrici flessibili con un rendimento e un'efficienza sostanziali. L'efficienza di uscita massima per il dispositivo attuale è del 40 percento, a seconda della potenza in ingresso dell'ingresso Wi-Fi. Al tipico livello di potenza Wi-Fi, l'efficienza energetica del raddrizzatore MoS2 è di circa il 30 percento. Per riferimento, le migliori rectenna di silicio e arseniuro di gallio di oggi realizzate in materiale rigido, l'arseniuro di silicio o di gallio più costoso raggiunge circa il 50-60 percento.

Ci sono altri 15 coautori di articoli del MIT, Università Tecnica di Madrid, il Laboratorio di Ricerca dell'Esercito, Università Carlo III di Madrid, Università di Boston, e la University of Southern California.

Il team sta ora pianificando di costruire sistemi più complessi e migliorare l'efficienza. Il lavoro è stato reso possibile, in parte, da una collaborazione con l'Università Tecnica di Madrid attraverso il MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI). È stato anche parzialmente sostenuto dall'Istituto per le nanotecnologie del soldato, il Laboratorio di Ricerca dell'Esercito, il Centro per i materiali quantistici integrati della National Science Foundation, e l'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica.