I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per realizzare minuscole antenne estensibili da un idrogel e un metallo liquido. Le antenne potrebbero essere utilizzate in dispositivi elettronici wireless indossabili e flessibili per fornire un collegamento tra il dispositivo e sistemi esterni per l'erogazione di energia, l'elaborazione dei dati e la comunicazione.
"Utilizzando il nostro nuovo approccio di fabbricazione, abbiamo dimostrato che la lunghezza di un'antenna in metallo liquido può essere dimezzata", ha affermato Tao Chen dell'Università Xi'an Jiaotong in Cina. “Ciò potrebbe aiutare a ridimensionare i dispositivi indossabili utilizzati per il monitoraggio della salute, il monitoraggio delle attività umane, i computer indossabili e altre applicazioni, rendendoli più compatti e confortevoli”.
Nella rivista Ottica Express, i ricercatori descrivono la loro nuova tecnica, che prevede l'iniezione di gallio-indio eutettico, una lega metallica che è liquida a temperatura ambiente, in un microcanale creato con un processo di ablazione laser a femtosecondi in un unico passaggio. Hanno utilizzato questo metodo per creare un’antenna che misura 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm incorporata in una lastra di idrogel di 70 mm × 12 mm × 7 mm.
“Le antenne estensibili e flessibili potrebbero essere utili per dispositivi medici indossabili che monitorano la temperatura, la pressione sanguigna e l’ossigeno nel sangue, ad esempio”, ha affermato Chen. “Dispositivi mobili separati potrebbero connettersi a un’unità di controllo più grande tramite antenne flessibili, che trasferirebbero dati e altre comunicazioni, formando una rete body-area wireless. Poiché le frequenze di risonanza delle antenne flessibili variano con la tensione applicata, potrebbero potenzialmente essere utilizzate anche come sensori di movimento indossabili”.
Un metallo più flessibile
Il lavoro è nato da ricerche precedenti, eseguite in collaborazione con Jian Hu della King Abdullah University of Science e Tecnologia in Arabia Saudita, in cui i ricercatori hanno sviluppato un modo per fabbricare strutture d'argento 3D incorporate in idrogel per il rilevamento della deformazione utilizzando l'ablazione laser a femtosecondi (in collaborazione con il Prof. Jian Hu).
"Le strutture d'argento mostravano scarsa elasticità perché erano molto fragili", ha detto Chen. “L’uso del metallo liquido invece di una struttura metallica solida non solo rende il metallo più facile da riempire nel microcanale dell’idrogel, ma aumenta la sua capacità di allungarsi”.
Per realizzare un'antenna a dipolo in metallo liquido, il tipo di antenna più semplice e ampiamente utilizzato, i ricercatori hanno scansionato un laser a femtosecondi per formare una coppia di microcanali simmetrici all'interno di un idrogel senza danneggiare la superficie. La breve durata dell'impulso del laser produce un'elevata potenza di picco che consente l'ablazione di materiale trasparente tramite effetti ottici non lineari come l'assorbimento multifotone, che garantisce che l'ablazione avvenga solo nel punto focale preciso del laser.
Hanno quindi iniettato il metallo liquido nei microcanali, formando un filo incorporato in idrogel che può essere utilizzato come antenna.
Hanno scelto l’idrogel come substrato perché ha proprietà dielettriche più favorevoli rispetto al polidimetilsilossano (PDMS) e ad altri substrati polimerici convenzionali, consentendo di ridurre della metà la lunghezza dell’antenna. I dispositivi a base di idrogel possono anche essere allungati fino a quasi raddoppiare la loro lunghezza originale.
Tuttavia, i dispositivi in metallo liquido a base di idrogel vengono generalmente fabbricati utilizzando un laser per incidere scanalature sulla superficie superiore, riempiendole con metallo liquido e quindi unendo il substrato modellato con un substrato non inciso.
"Utilizzando il nostro metodo, il microcanale può essere incorporato nell'idrogel utilizzando un'unica fase di fabbricazione senza necessità di incollaggio degli strati", ha affermato Chen. “Inoltre, i microcanali 3D e le strutture di metallo liquido possono essere facilmente formati mediante la scansione 3D del laser a femtosecondi, il che rende possibile fabbricare antenne flessibili 2D o 3D con strutture complicate per il miglioramento delle prestazioni e delle funzioni”.
Realizzare un'antenna estensibile
Per dimostrare il nuovo approccio di fabbricazione, i ricercatori hanno preparato antenne a dipolo estensibile e ne hanno misurato i coefficienti di riflessione a diverse frequenze. Questi esperimenti hanno dimostrato che l’idrogel puro riflette quasi tutta l’energia delle onde elettromagnetiche incidenti, mentre l’antenna a dipolo di metallo liquido incorporata nell’idrogel irradia la maggior parte dell’onda elettromagnetica incidente efficacemente nello spazio libero, con meno del 10% riflesso alla frequenza di risonanza.
Hanno inoltre dimostrato che variando la deformazione applicata dallo 0 al 48%, la frequenza di risonanza dell'antenna può essere sintonizzata da 770.3 MHz a 927.0 MHz.
I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la tecnica di sigillatura utilizzata sui microcanali indotti dal laser per aumentare la resistenza dell'antenna flessibile estensibile e la deformazione soglia delle perdite di metallo liquido. Hanno inoltre in programma di esplorare come questo nuovo approccio potrebbe essere applicato per lo sviluppo di sensori di deformazione e pressione multidimensionali completamente flessibili con complicate strutture 2D o 3D.