Imagina un mundo donde los teléfonos inteligentes laptops, usables, y otros dispositivos electrónicos funcionan sin baterías. Investigadores del MIT y otros lugares han dado un paso en esa dirección, con el primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales Wi-Fi en electricidad que podría alimentar la electrónica.

Los dispositivos que convierten las ondas electromagnéticas de CA en electricidad de CC se conocen como "rectennas". Los investigadores demuestran un nuevo tipo de rectenna, descrito en un estudio que aparece en Naturaleza , que utiliza una antena de radiofrecuencia (RF) flexible que captura ondas electromagnéticas, incluidas las que transportan Wi-Fi, como formas de onda de CA.

Luego, la antena se conecta a un dispositivo novedoso hecho de un semiconductor bidimensional de solo unos pocos átomos de espesor. La señal de CA viaja al semiconductor, que lo convierte en un voltaje de CC que podría usarse para alimentar circuitos electrónicos o recargar baterías.

De este modo, el dispositivo sin batería captura y transforma pasivamente las señales de Wi-Fi omnipresentes en energía de CC útil. Es más, el dispositivo es flexible y se puede fabricar en un proceso de rollo a rollo para cubrir áreas muy grandes.

"¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos que envolvemos alrededor de un puente o cubrimos una carretera completa, o las paredes de nuestra oficina y llevar inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo se proporciona energía para esos dispositivos electrónicos? ", Dice el coautor del artículo, Tomás Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del Centro MIT / MTL de Dispositivos de Grafeno y Sistemas 2-D en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas. "Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro, mediante la recolección de energía Wi-Fi de una manera que se integra fácilmente en grandes áreas, para llevar inteligencia a todos los objetos que nos rodean".

Las primeras aplicaciones prometedoras para la rectenna propuesta incluyen la alimentación de dispositivos electrónicos flexibles y portátiles, dispositivos médicos, y sensores para el "Internet de las cosas". Smartphones flexibles, por ejemplo, son un mercado nuevo y candente para las principales empresas de tecnología. En experimentos, El dispositivo de los investigadores puede producir unos 40 microvatios de potencia cuando se expone a los niveles de potencia típicos de las señales Wi-Fi (alrededor de 150 microvatios). Eso es energía más que suficiente para iluminar una simple pantalla móvil o chips de silicio.

Otra posible aplicación es potenciar las comunicaciones de datos de dispositivos médicos implantables, dice el coautor Jesús Grajal, investigador de la Universidad Politécnica de Madrid. Por ejemplo, Los investigadores están comenzando a desarrollar píldoras que los pacientes pueden tragar y transmitir los datos de salud a una computadora para su diagnóstico.

"Lo ideal es que no desee utilizar baterías para alimentar estos sistemas, porque si pierden litio, el paciente podría morir, "Dice Grajal." Es mucho mejor recolectar energía del medio ambiente para encender estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y comunicar datos a computadoras externas ".

Todas las rectennas se basan en un componente conocido como "rectificador, "que convierte la señal de entrada de CA en energía de CC. Las rectennas tradicionales utilizan arseniuro de galio o silicio para el rectificador. Estos materiales pueden cubrir la banda Wi-Fi, pero son rígidos. Y, aunque el uso de estos materiales para fabricar dispositivos pequeños es relativamente económico, usándolos para cubrir vastas áreas, como las superficies de edificios y muros, tendría un costo prohibitivo. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando solucionar estos problemas. Pero las pocas rectennas flexibles reportadas hasta ahora operan a bajas frecuencias y no pueden capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios. donde se encuentran la mayoría de las señales relevantes de teléfonos celulares y Wi-Fi.

Para construir su rectificador, los investigadores utilizaron un nuevo material bidimensional llamado disulfuro de molibdeno (MoS2), que con tres átomos de espesor es uno de los semiconductores más delgados del mundo. Al hacerlo, el equipo aprovechó un comportamiento singular de MoS2:cuando se expone a ciertos productos químicos, los átomos del material se reorganizan de una manera que actúa como un interruptor, forzando una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. Esta estructura se conoce como diodo Schottky, que es la unión de un semiconductor con un metal.

"Al diseñar MoS2 en una unión de fase metálica semiconductora 2-D, construimos un atómicamente delgado, diodo Schottky ultrarrápido que minimiza simultáneamente la resistencia en serie y la capacitancia parásita, "dice el primer autor y postdoctorado de EECS Xu Zhang, quien pronto se unirá a la Universidad Carnegie Mellon como profesor asistente.

La capacitancia parasitaria es una situación inevitable en la electrónica donde ciertos materiales almacenan un poco de carga eléctrica, lo que ralentiza el circuito. Menor capacitancia, por lo tanto, significa mayores velocidades del rectificador y frecuencias de operación más altas. La capacitancia parásita del diodo Schottky de los investigadores es un orden de magnitud menor que la de los rectificadores flexibles de última generación. por lo que es mucho más rápido en la conversión de señales y le permite capturar y convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.

"Este diseño ha permitido un dispositivo totalmente flexible que es lo suficientemente rápido para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia que utiliza nuestra electrónica diaria, incluyendo Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular, y muchos otros, "Dice Zhang.

El trabajo informado proporciona planos para otros dispositivos flexibles de Wi-Fi a electricidad con rendimiento y eficiencia sustanciales. La eficiencia de salida máxima para el dispositivo actual es del 40 por ciento, dependiendo de la potencia de entrada de la entrada Wi-Fi. En el nivel de potencia de Wi-Fi típico, la eficiencia energética del rectificador MoS2 es de aproximadamente el 30 por ciento. Para referencia, las mejores rectenas de arseniuro de galio y silicio de la actualidad fabricadas con El silicio o el arseniuro de galio más caros alcanzan alrededor del 50 al 60 por ciento.

Hay otros 15 coautores de artículos del MIT, Universidad Politécnica de Madrid, el Laboratorio de Investigación del Ejército, Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Boston, y la Universidad del Sur de California.

El equipo ahora planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia. El trabajo se hizo posible, en parte, por una colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid a través de las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología del MIT (MISTI). También contó con el apoyo parcial del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, el Laboratorio de Investigación del Ejército, el Centro de Materiales Cuánticos Integrados de la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.