חוקרים פיתחו שיטה חדשה לייצור אנטנות זעירות ניתנות למתיחה מהידרוג'ל ומתכת נוזלית. ניתן להשתמש באנטנות במכשירים אלקטרוניים אלחוטיים לבישים וגמישים כדי לספק קישור בין המכשיר למערכות חיצוניות לאספקת חשמל, עיבוד נתונים ותקשורת.
"באמצעות גישת הייצור החדשה שלנו, הדגמנו שניתן לחתוך את אורך אנטנת מתכת נוזלית לשניים", אמר טאו צ'ן מאוניברסיטת שיאן ג'יאוטונג בסין. "זה עשוי לעזור לצמצם מכשירים לבישים המשמשים לניטור בריאות, ניטור פעילות אנושית, מחשוב לביש ויישומים אחרים, ולהפוך אותם לקומפקטיים ונוחים יותר."
בכתב העת אופטיקה אקספרס, החוקרים מתארים את הטכניקה החדשה שלהם, הכוללת הזרקת גליום-אינדיום אוקטי - סגסוגת מתכת שהיא נוזל בטמפרטורת החדר - לתוך מיקרו-ערוץ שנוצר בתהליך אבלציה של פמט-שנייה-לייזר חד-שלבי. הם השתמשו בשיטה זו כדי ליצור אנטנה בגודל 24 מ"מ × 0.6 מ"מ × 0.2 מ"מ המוטבעת בלוח הידרוג'ל בגודל 70 מ"מ × 12 מ"מ × 7 מ"מ.
"אנטנות נמתחות וגמישות יכולות להיות שימושיות עבור מכשירים רפואיים לבישים המנטרים טמפרטורה, לחץ דם וחמצן בדם, למשל", אמר צ'ן. "מכשירים ניידים נפרדים יכולים להתחבר ליחידת בקרה גדולה יותר באמצעות האנטנות הגמישות - שיעבירו נתונים ותקשורת אחרת - ויצרו רשת אלחוטית באזור הגוף. מכיוון שתדרי התהודה של האנטנות הגמישות משתנים עם המתח המופעל, הן עשויות לשמש גם כחיישן תנועה לביש."
מתכת גמישה יותר
העבודה צמחה ממחקר קודם, שבוצע בשיתוף עם ג'יאן הו מאוניברסיטת המלך עבדאללה למדע ו טכנולוגיה בסעודיה, בה פיתחו החוקרים דרך לייצר מבני כסף תלת מימדיים המוטמעים בהידרוג'ל עבור חישת מתח באמצעות אבלציה בלייזר של פמט-שנייה (שיתף פעולה עם פרופ' ג'יאן הו).
"מבני הכסף הפגינו יכולת מתיחה גרועה מכיוון שהם היו מאוד שבירים", אמר צ'ן. "שימוש במתכת נוזלית במקום במבנה מתכת מוצק לא רק מקל על המתכת למילוי מיקרו-תעלת ההידרוג'ל אלא מגביר את יכולת המתיחה שלה."
כדי ליצור אנטנה דיפול מתכת נוזלית - הסוג הפשוט והנפוץ ביותר של אנטנה - החוקרים סרקו לייזר פמט-שניות כדי ליצור זוג מיקרו-ערוצים סימטריים בתוך הידרוג'ל מבלי לפגוע במשטח. משך הפולס הקצר של הלייזר מייצר הספק שיא גבוה המאפשר אבלציה של חומר שקוף באמצעות אפקטים אופטיים לא ליניאריים כמו קליטת מולטיפוטונים, מה שמבטיח שהאבלציה מתרחשת רק בנקודת המוקד המדויקת של הלייזר.
לאחר מכן הם הזריקו את המתכת הנוזלית לתוך המיקרו-תעלות, ויצרו חוט משובץ הידרוג'ל שיכול לשמש כאנטנה.
הם בחרו בהידרוג'ל כמצע מכיוון שיש לו תכונות דיאלקטריות טובות יותר בהשוואה לפולידימתילסילוקסן (PDMS) ומצעי פולימרים קונבנציונליים אחרים, מה שמאפשר להפחית את אורך האנטנה בחצי. ניתן גם למתוח מכשירים מבוססי הידרוג'ל כמעט להכפיל את אורכם המקורי.
עם זאת, התקני מתכת נוזלית מבוססי הידרוג'ל מיוצרים בדרך כלל באמצעות לייזר כדי לחרוט חריצים על המשטח העליון, מילוים במתכת נוזלית ולאחר מכן מקשר את המצע המעוצב עם מצע לא חרוט.
"באמצעות השיטה שלנו, ניתן להטמיע את המיקרו-ערוץ בהידרוג'ל באמצעות שלב ייצור בודד ללא צורך בהדבקת שכבה", אמר צ'ן. "בנוסף, מיקרו-ערוצים תלת מימדיים כמו גם מבני מתכת נוזליים יכולים להיווצר בקלות על ידי סריקת תלת מימד של הלייזר הפמטו-שניה, מה שמאפשר לייצר אנטנות גמישות דו-ממדיות או תלת-ממדיות עם מבנים מסובכים לשיפור הביצועים והפונקציות".
הכנת אנטנה מתיחה
כדי להדגים את גישת הייצור החדשה, החוקרים הכינו אנטנות דיפול מתמתחות ומדדו את מקדמי ההשתקפות שלהן בתדרים שונים. ניסויים אלו הראו כי ההידרוג'ל הטהור משקף כמעט את כל אנרגיית הגל האלקטרומגנטי המתרחש, בעוד שאנטנת הדיפול המתכת הנוזלית המוטבעת בהידרוג'ל מקרינה את רוב הגל האלקטרומגנטי הנוצר ביעילות לחלל הפנוי, כאשר פחות מ-10% משתקפת בתדר התהודה.
הם גם הראו שעל ידי שינוי המתח המופעל מ-0 ל-48%, ניתן לכוון את תדר התהודה של האנטנה מ-770.3 מגה-הרץ ל-927.0 מגה-הרץ.
החוקרים פועלים כעת לשיפור טכניקת האיטום המשמשת במיקרו-תעלות המושרות בלייזר כדי להגביר את חוזק האנטנה הגמישה הנמתחת ואת מתח הסף של דליפת מתכת נוזלית. הם גם מתכננים לחקור כיצד ניתן ליישם גישה חדשה זו לפיתוח חיישני מתח ולחץ רב-ממדיים גמישים לחלוטין עם מבנים דו-ממדיים או תלת-ממדיים מסובכים.