Föreställ dig en värld där smartphones, bärbara datorer, användbara, och annan elektronik drivs utan batterier. Forskare från MIT och andra håll har tagit ett steg i den riktningen, med den första helt flexibla enheten som kan omvandla energi från Wi-Fi-signaler till elektricitet som kan driva elektronik.

Enheter som omvandlar elektromagnetiska växelströmsvågor till DC-elektricitet är kända som "rectennas". Forskarna visar en ny typ av rektenna, beskrivs i en studie som visas i Natur , som använder en flexibel radiofrekvensantenn (RF) som fångar upp elektromagnetiska vågor – inklusive de som bär Wi-Fi – som AC-vågformer.

Antennen ansluts sedan till en ny enhet gjord av en tvådimensionell halvledare bara några atomer tjock. AC-signalen går in i halvledaren, som omvandlar den till en likspänning som kan användas för att driva elektroniska kretsar eller ladda batterier.

På det här sättet, den batterifria enheten fångar passivt och omvandlar allmänt förekommande Wi-Fi-signaler till användbar likström. Dessutom, anordningen är flexibel och kan tillverkas i en roll-to-roll process för att täcka mycket stora ytor.

"Tänk om vi kunde utveckla elektroniska system som vi lindar runt en bro eller täcker en hel motorväg, eller väggarna på vårt kontor och föra elektronisk intelligens till allt omkring oss? Hur tillhandahåller du energi till den elektroniken?" säger pappersmedförfattaren Tomás Palacios, professor vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap och chef för MIT/MTL Center for Graphene Devices and 2-D Systems in the Microsystems Technology Laboratories. "Vi har kommit på ett nytt sätt att driva framtidens elektroniksystem – genom att skörda Wi-Fi-energi på ett sätt som enkelt kan integreras i stora områden – för att ge intelligens till alla objekt runt omkring oss."

Lovande tidiga tillämpningar för den föreslagna rektennan inkluderar drivning av flexibel och bärbar elektronik, medicinska apparater, och sensorer för "sakernas internet". Flexibla smartphones, till exempel, är en het ny marknad för stora teknikföretag. I experiment, forskarnas enhet kan producera cirka 40 mikrowatt effekt när den utsätts för de typiska effektnivåerna för Wi-Fi-signaler (cirka 150 mikrowatt). Det är mer än tillräckligt med kraft för att lysa upp en enkel mobilskärm eller silikonchips.

En annan möjlig applikation är att driva datakommunikationen för implanterbara medicinska apparater, säger medförfattaren Jesús Grajal, en forskare vid Madrids tekniska universitet. Till exempel, forskare börjar utveckla piller som kan sväljas av patienter och strömma hälsodata tillbaka till en dator för diagnostik.

"Helst vill du inte använda batterier för att driva dessa system, för om de läcker litium, patienten kan dö, ", säger Grajal. "Det är mycket bättre att skörda energi från miljön för att driva dessa små labb inne i kroppen och kommunicera data till externa datorer."

Alla rektennor är beroende av en komponent som kallas "likriktare, " som omvandlar AC-ingångssignalen till DC-ström. Traditionella rektennor använder antingen kisel eller galliumarsenid för likriktaren. Dessa material kan täcka Wi-Fi-bandet, men de är stela. Och, även om det är relativt billigt att använda dessa material för att tillverka små enheter, använda dem för att täcka stora områden, såsom ytor på byggnader och väggar, skulle vara kostnadskrävande. Forskare har försökt åtgärda dessa problem under lång tid. Men de få flexibla rektennorna som hittills rapporterats fungerar vid låga frekvenser och kan inte fånga och konvertera signaler i gigahertz-frekvenser, där de flesta av de relevanta mobiltelefon- och Wi-Fi-signalerna finns.

För att bygga sin likriktare, forskarna använde ett nytt 2D-material som heter molybdendisulfid (MoS2), som med tre atomer tjocklek är en av de tunnaste halvledarna i världen. Genom att göra så, teamet utnyttjade ett unikt beteende hos MoS2:När de exponerades för vissa kemikalier, materialets atomer omarrangeras på ett sätt som fungerar som en switch, tvingar fram en fasövergång från en halvledare till ett metalliskt material. Denna struktur är känd som en Schottky-diod, som är förbindelsen mellan en halvledare och en metall.

"Genom att konstruera MoS2 till en 2-D halvledande-metallisk fasövergång, vi byggde en atomär tunn, ultrasnabb Schottky-diod som samtidigt minimerar serieresistansen och parasitisk kapacitans, " säger första författare och EECS postdoc Xu Zhang, som snart kommer att ansluta sig till Carnegie Mellon University som biträdande professor.

Parasitisk kapacitans är en oundviklig situation inom elektronik där vissa material lagrar lite elektrisk laddning, vilket saktar ner kretsen. Lägre kapacitans, därför, innebär ökade likriktarhastigheter och högre driftfrekvenser. Den parasitära kapacitansen hos forskarnas Schottky-diod är en storleksordning mindre än dagens toppmoderna flexibla likriktare, så den är mycket snabbare vid signalomvandling och gör att den kan fånga och konvertera upp till 10 gigahertz trådlösa signaler.

"En sådan design har möjliggjort en helt flexibel enhet som är tillräckligt snabb för att täcka de flesta radiofrekvensband som används av vår dagliga elektronik, inklusive Wi-Fi, Blåtand, cellulär LTE, och många andra, " säger Zhang.

Det rapporterade arbetet ger ritningar för andra flexibla Wi-Fi-till-el-enheter med betydande effekt och effektivitet. Den maximala uteffekten för den aktuella enheten är 40 procent, beroende på ingångseffekten för Wi-Fi-ingången. Vid den typiska Wi-Fi-effektnivån, strömeffektiviteten för MoS2-likriktaren är cirka 30 procent. Som referens, dagens bästa rektenner av kisel och galliumarsenid gjorda av styva, dyrare kisel eller galliumarsenid uppnår cirka 50 till 60 procent.

Det finns 15 andra pappersmedförfattare från MIT, Madrids tekniska universitet, arméns forskningslaboratorium, Karl III universitetet i Madrid, Boston University, och University of Southern California.

Teamet planerar nu att bygga mer komplexa system och förbättra effektiviteten. Arbetet möjliggjordes, till viss del, genom ett samarbete med det tekniska universitetet i Madrid genom MIT International Science and Technology Initiatives (MITI). Det stöddes också delvis av Institute for Soldier Nanotechnologies, arméns forskningslaboratorium, National Science Foundations Center for Integrated Quantum Materials, och Air Force Office of Scientific Research.