Новый гибкий материал конвертирует Wi-Fi в электричество

Представьте себе мир, в котором смартфоны, ноутбуки, носимые устройства и другая электроника обходятся без батарей. Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) и ряда других организаций нескольких стран сделали шаг в этом направлении, разработав первое гибкое устройство, способное преобразовывать энергию из сигналов Wi-Fi в электричество, которое может питать электронику.

Устройства, преобразующие электромагнитные волны переменного тока в электричество постоянного тока, известны как "ректенны". Новый вид ректенны, описанный в опубликованном в журнале Nature исследовании, использует гибкую радиочастотную (RF) антенну, которая захватывает электромагнитные волны - включая те, которые используются в Wi-Fi - как импульсы переменного тока.

Затем антенна подключается к новому устройству, изготовленному из двухмерного полупроводника толщиной всего в несколько атомов. Сигнал переменного тока передается в этот полупроводник, преобразующий его в постоянное напряжение, которое может быть использовано для питания электронных цепей или зарядки аккумуляторов.

Таким образом, электронный прибор способен пассивно захватывать и преобразовывать сигналы Wi-Fi в электропитание, обходясь при этом без собственных батарей. Кроме того, новое устройство является гибким и может быть изготовлено в виде рулонов для покрытия очень больших площадей.

Наиболее перспективными областями применения предлагаемой ректенны на данном этапе являются питание гибкой и носимой электроники, медицинских приборов и датчиков для "интернета вещей". В частности, гибкие смартфоны сегодня являются новым горячим рынком для крупных технологических фирм и здесь может быть использована новая технология. В экспериментах прибор вырабатывал около 40 микроватт энергии при воздействии сигналов Wi-Fi обычного уровня мощности (около 150 микроватт). Этого более чем достаточно, чтобы включить светодиод или запитать кремниевые микросхемы.

Еще одним возможным применением является обеспечение питанием процесса передачи данных имплантируемых медицинских устройств. Например, исследователи начинают разрабатывать таблетки, которые могут передавать данные о параметрах здоровья желудка или кишечника обратно на компьютер для диагностики.

Все ректенны используют выпрямитель, который преобразует входной сигнал переменного тока в постоянный ток. Традиционные ректенны используют для этого либо кремний, либо арсенид галлия, т.е. жесткие материалы. И хотя использование этих материалов для изготовления небольших устройств обходится недорого, их применение для покрытия больших площадей, таких как поверхности зданий и стен, было бы дорогостоящим. Исследователи уже давно пытаются решить эти проблемы.

Для создания своего выпрямителя ученые МТИ использовали новый 2D-материал под названием дисульфид молибдена (MoS₂), который при толщине трех атомов является одним из самых тонких полупроводников в мире. Причем при воздействии определенных химических веществ атомы материала перестраиваются таким образом, что образуется аномально тонкий и сверхбыстрый диод Шоттки, который является связующим звеном между полупроводником и металлом и одновременно минимизирует последовательное сопротивление и паразитную емкость.

Паразитная емкость нового диода Шоттки на порядок меньше, чем у самых современных гибких выпрямителей, поэтому устройство работает значительно быстрее при преобразовании сигнала и позволяет захватывать и преобразовывать до 10 ГГц беспроводных сигналов. Такая структура позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое для использования в большинстве радиочастотных диапазонов, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовый LTE и многие другие.

Максимальная выходная эффективность для прототипа устройства составляет 40%, в зависимости от входной мощности Wi-Fi. При типичном уровне мощности Wi-Fi энергоэффективность выпрямителя составляет около 30%. Для сравнения эффективность современных ректенн, изготовленных из жесткого, более дорогостоящего кремния или арсенида галлия, достигает примерно 50%-60%.