Para peneliti telah mengembangkan metode baru untuk membuat antena kecil yang dapat diregangkan dari hidrogel dan logam cair. Antena dapat digunakan pada perangkat elektronik nirkabel yang dapat dipakai dan fleksibel untuk menyediakan hubungan antara perangkat dan sistem eksternal untuk pengiriman daya, pemrosesan data, dan komunikasi.
“Dengan menggunakan pendekatan fabrikasi baru, kami menunjukkan bahwa panjang antena logam cair dapat dipotong setengahnya,” kata Tao Chen dari Universitas Xi'an Jiaotong di Tiongkok. “Hal ini dapat membantu memperkecil ukuran perangkat wearable yang digunakan untuk pemantauan kesehatan, pemantauan aktivitas manusia, komputasi wearable, dan aplikasi lainnya, menjadikannya lebih ringkas dan nyaman.”
Dalam jurnal Optik Ekspres, para peneliti menjelaskan teknik baru mereka, yang melibatkan penyuntikan eutektik gallium-indium—paduan logam yang berbentuk cair pada suhu kamar—ke dalam saluran mikro yang dibuat dengan proses ablasi laser femtosecond satu langkah. Mereka menggunakan metode ini untuk membuat antena berukuran 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm yang ditanamkan ke dalam lempengan hidrogel berukuran 70 mm × 12 mm× 7 mm.
“Antena yang dapat diregangkan dan fleksibel dapat berguna untuk perangkat medis yang dapat dipakai untuk memantau suhu, tekanan darah, dan oksigen darah, misalnya,” kata Chen. “Perangkat seluler yang terpisah dapat terhubung ke unit kontrol yang lebih besar melalui antena fleksibel—yang akan mentransfer data dan komunikasi lainnya—membentuk jaringan area tubuh nirkabel. Karena frekuensi resonansi antena fleksibel bervariasi tergantung tegangan yang diterapkan, antena tersebut berpotensi juga digunakan sebagai sensor gerak yang dapat dikenakan.”
Logam yang lebih fleksibel
Pekerjaan ini berkembang dari penelitian sebelumnya, yang dilakukan bekerja sama dengan Jian Hu dari King Abdullah University of Science dan Teknologi di Arab Saudi, di mana para peneliti mengembangkan cara untuk membuat struktur perak 3D yang tertanam dalam hidrogel untuk penginderaan regangan menggunakan ablasi laser femtosecond (bekerja sama dengan Prof. Jian Hu).
“Struktur perak menunjukkan kemampuan regangan yang buruk karena sangat rapuh,” kata Chen. “Menggunakan logam cair sebagai pengganti struktur logam padat tidak hanya membuat logam lebih mudah untuk mengisi saluran mikro hidrogel tetapi juga meningkatkan kemampuannya untuk meregang.”
Untuk membuat antena dipol logam cair—jenis antena yang paling sederhana dan paling banyak digunakan—para peneliti memindai laser femtosecond untuk membentuk sepasang saluran mikro simetris di dalam hidrogel tanpa merusak permukaannya. Durasi pulsa pendek laser menghasilkan daya puncak tinggi yang memungkinkan ablasi bahan transparan melalui efek optik nonlinier seperti penyerapan multifoton, yang memastikan bahwa ablasi hanya terjadi pada titik fokus laser yang tepat.
Mereka kemudian menyuntikkan logam cair ke dalam saluran mikro, membentuk kawat tertanam hidrogel yang dapat digunakan sebagai antena.
Mereka memilih hidrogel sebagai substrat karena memiliki sifat dielektrik yang lebih baik dibandingkan dengan polidimetilsiloksan (PDMS) dan substrat polimer konvensional lainnya, sehingga panjang antena dikurangi setengahnya. Perangkat berbasis hidrogel juga dapat diregangkan hingga hampir dua kali lipat panjang aslinya.
Namun, perangkat logam cair berbasis hidrogel biasanya dibuat menggunakan laser untuk mengukir alur pada permukaan atas, mengisinya dengan logam cair dan kemudian mengikat substrat berpola dengan substrat yang tidak terukir.
“Dengan menggunakan metode kami, saluran mikro dapat ditanamkan ke dalam hidrogel menggunakan satu langkah fabrikasi tanpa memerlukan ikatan lapisan,” kata Chen. “Selain itu, saluran mikro 3D serta struktur logam cair dapat dengan mudah dibentuk dengan pemindaian 3D laser femtosecond, yang memungkinkan pembuatan antena fleksibel 2D atau 3D dengan struktur rumit untuk peningkatan kinerja dan fungsi.”
Membuat antena yang bisa diregangkan
Untuk mendemonstrasikan pendekatan fabrikasi baru, para peneliti menyiapkan antena dipol yang dapat diregangkan dan mengukur koefisien refleksinya pada frekuensi berbeda. Eksperimen ini menunjukkan bahwa hidrogel murni memantulkan hampir seluruh energi gelombang elektromagnetik yang terjadi, sedangkan antena dipol logam cair yang tertanam dalam hidrogel memancarkan sebagian besar gelombang elektromagnetik yang terjadi secara efektif ke ruang bebas, dengan kurang dari 10% yang dipantulkan pada frekuensi resonansi.
Mereka juga menunjukkan bahwa dengan memvariasikan regangan yang diterapkan dari 0 hingga 48%, frekuensi resonansi antena dapat disetel dari 770.3 MHz hingga 927.0 MHz.
Para peneliti sekarang bekerja untuk meningkatkan teknik penyegelan yang digunakan pada saluran mikro yang diinduksi laser untuk meningkatkan kekuatan antena fleksibel yang dapat diregangkan dan ambang batas kebocoran logam cair. Mereka juga berencana untuk mengeksplorasi bagaimana pendekatan baru ini dapat diterapkan untuk mengembangkan sensor regangan dan tekanan multidimensi yang sepenuhnya fleksibel dengan struktur 2D atau 3D yang rumit.