Los investigadores han desarrollado un nuevo método para fabricar pequeñas antenas estirables a partir de un hidrogel y un metal líquido. Las antenas podrían usarse en dispositivos electrónicos inalámbricos portátiles y flexibles para proporcionar un enlace entre el dispositivo y sistemas externos para el suministro de energía, el procesamiento de datos y la comunicación.
"Utilizando nuestro nuevo enfoque de fabricación, demostramos que la longitud de una antena de metal líquido se puede reducir a la mitad", dijo Tao Chen de la Universidad Xi'an Jiaotong en China. "Esto puede ayudar a reducir el tamaño de los dispositivos portátiles utilizados para el monitoreo de la salud, el monitoreo de la actividad humana, la informática portátil y otras aplicaciones, haciéndolos más compactos y cómodos".
En la revista Óptica Express, los investigadores describen su nueva técnica, que consiste en inyectar galio-indio eutéctico (una aleación metálica que es líquida a temperatura ambiente) en un microcanal creado con un proceso de ablación con láser de femtosegundo de un solo paso. Utilizaron este método para crear una antena que medía 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm incrustada en una losa de hidrogel de 70 mm × 12 mm × 7 mm.
"Las antenas estirables y flexibles podrían ser útiles para dispositivos médicos portátiles que monitorean la temperatura, la presión arterial y el oxígeno en sangre, por ejemplo", dijo Chen. “Dispositivos móviles separados podrían conectarse a una unidad de control más grande a través de antenas flexibles, que transferirían datos y otras comunicaciones, formando una red inalámbrica de área corporal. Dado que las frecuencias de resonancia de las antenas flexibles varían con la tensión aplicada, también podrían usarse como sensores de movimiento portátiles”.
Un metal más flexible
El trabajo surgió de investigaciones anteriores, realizadas en cooperación con Jian Hu de la Universidad de Ciencias Rey Abdullah y Tecnología en Arabia Saudita, en el que los investigadores desarrollaron una forma de fabricar estructuras de plata tridimensionales incrustadas en hidrogel para detectar tensiones mediante ablación con láser de femtosegundo (en cooperación con el profesor Jian Hu).
"Las estructuras de plata presentaban poca capacidad de estiramiento porque eran muy frágiles", dijo Chen. "El uso de metal líquido en lugar de una estructura de metal sólido no solo hace que el metal sea más fácil de llenar el microcanal de hidrogel, sino que también aumenta su capacidad de estirarse".
Para fabricar una antena dipolo de metal líquido (el tipo de antena más simple y más utilizado), los investigadores escanearon un láser de femtosegundo para formar un par de microcanales simétricos dentro de un hidrogel sin dañar la superficie. La corta duración del pulso del láser produce una potencia máxima alta que permite la ablación de material transparente mediante efectos ópticos no lineales como la absorción multifotónica, lo que garantiza que la ablación solo se realice en el punto focal preciso del láser.
Luego inyectaron el metal líquido en los microcanales, formando un cable incrustado en hidrogel que puede usarse como antena.
Seleccionaron hidrogel como sustrato porque tiene propiedades dieléctricas más favorables en comparación con el polidimetilsiloxano (PDMS) y otros sustratos poliméricos convencionales, lo que permite reducir la longitud de la antena a la mitad. Los dispositivos a base de hidrogel también se pueden estirar hasta casi el doble de su longitud original.
Sin embargo, los dispositivos de metal líquido a base de hidrogel generalmente se fabrican usando un láser para grabar ranuras en la superficie superior, llenándolas con metal líquido y luego uniendo el sustrato estampado con un sustrato sin grabar.
"Utilizando nuestro método, el microcanal se puede incrustar en un hidrogel mediante un solo paso de fabricación sin necesidad de unir capas", dijo Chen. "Además, los microcanales 3D, así como las estructuras de metal líquido, se pueden formar fácilmente mediante el escaneo 3D del láser de femtosegundo, lo que hace posible fabricar antenas flexibles 2D o 3D con estructuras complicadas para mejorar el rendimiento y la función".
Hacer una antena estirable
Para demostrar el nuevo enfoque de fabricación, los investigadores prepararon antenas dipolo extensibles y midieron sus coeficientes de reflexión a diferentes frecuencias. Estos experimentos demostraron que el hidrogel puro refleja casi toda la energía de las ondas electromagnéticas incidentes, mientras que la antena dipolo de metal líquido incrustada en el hidrogel irradia la mayor parte de las ondas electromagnéticas incidentes de manera efectiva al espacio libre, con menos del 10% reflejado en la frecuencia de resonancia.
También demostraron que variando la tensión aplicada de 0 a 48%, la frecuencia de resonancia de la antena se puede sintonizar de 770.3 MHz a 927.0 MHz.
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la técnica de sellado utilizada en los microcanales inducidos por láser para aumentar la resistencia de la antena flexible y estirable y el umbral de tensión de la fuga de metal líquido. También planean explorar cómo se podría aplicar este nuevo enfoque para desarrollar sensores de presión y tensión multidimensionales totalmente flexibles con estructuras 2D o 3D complicadas.