Imagine un mundo en el que los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles, los dispositivos portátiles y otros dispositivos electrónicos funcionen sin baterías. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts han dado un paso en esta dirección con el lanzamiento del primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales de Wi-Fi en electricidad para alimentar la electrónica.
Que es rectenna
Una rectenna es un dispositivo que convierte ondas electromagnéticas de corriente alterna en corriente continua. Los investigadores describieron una nueva especie en la revista Nature. Utiliza una antena de radiofrecuencia flexible que captura ondas electromagnéticas, incluido Wi-Fi. Se conecta a un semiconductor bidimensional de varios átomos de espesor. La corriente alterna fluye hacia el semiconductor, que lo convierte en corriente continua, lo que le permite alimentar circuitos electrónicos o cargar baterías.
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Por lo tanto, el dispositivo captura y convierte pasivamente las señales de Wi-Fi a CC. Es flexible y se puede producir en rollos para cubrir un área grande.
La nueva forma de impulsar el Internet de las cosas
“¿Qué pasa si creamos sistemas electrónicos que envuelven un puente, o cubren toda una carretera o paredes de oficinas y le damos inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo alimentamos toda esta electrónica? Pregunta el coautor Thomas Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del Centro de Dispositivos de Grafeno y Sistemas 2D en Laboratorios de Tecnología de Microsistemas. "Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro, recolectando energía Wi-Fi de una manera que se puede integrar fácilmente en grandes áreas para que todos los objetos que nos rodean adquieran inteligencia".
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Las primeras aplicaciones prometedoras para la rectenna propuesta incluyen la alimentación de dispositivos electrónicos, dispositivos médicos y sensores de IoT flexibles y portátiles. Los teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado de moda para las grandes empresas de tecnología. El dispositivo experimental genera aproximadamente 40 μW de potencia cuando se expone a niveles típicos de potencia de señal Wi-Fi (aproximadamente 150 μW). Esto es más que suficiente para iluminar la pantalla de un teléfono móvil o chips de alimentación.
Aplicación en medicina
Según un investigador de la Universidad Politécnica de Madrid, Jesús Grajal, una de las posibles aplicaciones del desarrollo es proporcionar transmisión de datos para dispositivos médicos implantables. Por ejemplo, pastillas que transmitirán datos sobre la salud del paciente a una computadora para su posterior diagnóstico.
“Es peligroso usar baterías para alimentar estos sistemas porque si el litio se filtra, el paciente morirá”, dice Grahal. "Es mucho mejor recolectar energía del medio ambiente para alimentar estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y transmitir datos a computadoras externas".
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Rectificador flexible
Todas las rectennas se basan en un componente conocido como "rectificador" que convierte CA en CC. En las rectennas tradicionales, el rectificador está hecho de silicio o arseniuro de galio. Estos materiales pueden cubrir frecuencias de Wi-Fi, pero son resistentes. Aunque su uso para fabricar dispositivos pequeños es relativamente económico, cubrir grandes áreas, como las superficies de edificios y paredes, sería prohibitivamente caro. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando resolver estos problemas. Pero algunas rectennas flexibles de las que se ha informado hasta ahora operan a bajas frecuencias y no pueden capturar ni convertir señales de gigahercios, que son la mayoría de las señales de teléfonos celulares y Wi-Fi.
Para crear su rectificador, los investigadores utilizaron un nuevo material bidimensional, disulfuro de molibdeno (MoS2), que, con un grosor de 3 átomos, es uno de los dispositivos semiconductores más delgados del mundo. El equipo utilizó el comportamiento inusual de MoS2: cuando se expone a ciertos productos químicos, los átomos del material se reorganizan de tal manera que actúa como un interruptor, lo que provoca una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. Esta estructura se conoce como diodo Schottky.
“Al crear MoS2 en una transición de fase de semiconductor-metal 2D, construimos un diodo Schottky ultrarrápido y delgado que minimiza simultáneamente la resistencia en serie y la capacitancia parásita”, dice el autor del proyecto Xu Zhang.
La capacitancia parasitaria es inevitable en la electrónica. Algunos materiales acumulan una pequeña carga eléctrica que ralentiza el circuito. En consecuencia, una menor capacitancia significa mayores velocidades del rectificador y mayores frecuencias de operación. La capacitancia parásita de un diodo Schottky es un orden de magnitud menor que la de los rectificadores flexibles modernos, por lo que convierte la señal mucho más rápido y le permite capturar y convertir hasta 10 GHz.
“Este diseño tiene un dispositivo completamente flexible que es lo suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia utilizadas por la electrónica diaria, incluyendo Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular y más”, dice Zhang.
Efectividad de la rectenna flexible
En el trabajo descrito, se proponen dibujos de otros dispositivos flexibles de alto rendimiento. La eficiencia de salida máxima del dispositivo actual promedia el 40% y depende de la potencia de Wi-Fi. El rectificador MoS2 tiene una eficiencia típica del 30%. Como referencia, la eficiencia de las rectennas hechas de silicio o arseniuro de galio más duro y caro alcanza el 50-60%.
Ahora, el equipo de desarrollo planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia de la tecnología.
Autor: Sergey Prots
