Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om kleine rekbare antennes te maken van een hydrogel en vloeibaar metaal. De antennes kunnen worden gebruikt in draagbare en flexibele draadloze elektronische apparaten om een link te vormen tussen het apparaat en externe systemen voor stroomvoorziening, gegevensverwerking en communicatie.
“Met behulp van onze nieuwe fabricageaanpak hebben we aangetoond dat de lengte van een antenne van vloeibaar metaal kan worden gehalveerd”, zegt Tao Chen van de Xi'an Jiaotong Universiteit in China. “Dit kan helpen bij het verkleinen van draagbare apparaten die worden gebruikt voor gezondheidsmonitoring, monitoring van menselijke activiteiten, wearable computing en andere toepassingen, waardoor ze compacter en comfortabeler worden.”
In het tijdschrift Optics Expressbeschrijven de onderzoekers hun nieuwe techniek, waarbij eutectisch gallium-indium – een metaallegering die bij kamertemperatuur vloeibaar is – wordt geïnjecteerd in een microkanaal dat is gecreëerd met een femtoseconde-laserablatieproces in één stap. Ze gebruikten deze methode om een antenne van 24 mm x 0.6 mm x 0.2 mm te maken, ingebed in een hydrogelplaat van 70 mm x 12 mm x 7 mm.
“Rekbare en flexibele antennes kunnen nuttig zijn voor draagbare medische apparaten die bijvoorbeeld de temperatuur, bloeddruk en zuurstof in het bloed monitoren”, zegt Chen. “Afzonderlijke mobiele apparaten zouden verbinding kunnen maken met een grotere controle-eenheid via de flexibele antennes – die gegevens en andere communicatie zouden overbrengen – en zo een draadloos body-area netwerk zouden vormen. Omdat de resonantiefrequenties van de flexibele antennes variëren afhankelijk van de uitgeoefende spanning, kunnen ze mogelijk ook worden gebruikt als draagbare bewegingssensor.”
Een flexibeler metaal
Het werk kwam voort uit eerder onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met Jian Hu van de King Abdullah University of Science Technologie in Saoedi-Arabië, waar de onderzoekers een manier ontwikkelden om 3D-zilverstructuren ingebed in hydrogel te fabriceren voor spanningsdetectie met behulp van femtoseconde laserablatie (in samenwerking met prof. Jian Hu).
“De zilverstructuren vertoonden een slechte rekbaarheid omdat ze erg kwetsbaar waren”, zegt Chen. "Het gebruik van vloeibaar metaal in plaats van een solide metalen structuur maakt het metaal niet alleen gemakkelijker om het hydrogel-microkanaal te vullen, maar vergroot ook het vermogen om uit te rekken."
Om een dipoolantenne van vloeibaar metaal te maken – het eenvoudigste en meest gebruikte type antenne – hebben de onderzoekers een femtoseconde-laser gescand om een paar symmetrische microkanalen in een hydrogel te vormen zonder het oppervlak te beschadigen. De korte pulsduur van de laser produceert een hoog piekvermogen dat ablatie van transparant materiaal mogelijk maakt via niet-lineaire optische effecten zoals multifotonabsorptie, wat ervoor zorgt dat ablatie alleen plaatsvindt op het precieze brandpunt van de laser.
Vervolgens injecteerden ze het vloeibare metaal in de microkanalen, waardoor een in hydrogel ingebedde draad ontstond die als antenne kan worden gebruikt.
Ze kozen voor hydrogel als substraat omdat het gunstigere diëlektrische eigenschappen heeft vergeleken met polydimethylsiloxaan (PDMS) en andere conventionele polymeersubstraten, waardoor de lengte van de antenne met de helft kon worden verminderd. Op hydrogel gebaseerde apparaten kunnen ook worden uitgerekt tot bijna het dubbele van hun oorspronkelijke lengte.
Op hydrogel gebaseerde apparaten van vloeibaar metaal worden echter doorgaans vervaardigd met behulp van een laser om groeven op het bovenoppervlak te graveren, deze te vullen met vloeibaar metaal en vervolgens het substraat met patroon te verbinden met een niet-gegraveerd substraat.
"Met behulp van onze methode kan het microkanaal in een enkele fabricagestap in hydrogel worden ingebed, zonder dat er sprake is van laagbinding", zegt Chen. “Bovendien kunnen 3D-microkanalen en vloeibare metaalstructuren eenvoudig worden gevormd door het 3D-scannen van de femtoseconde-laser, wat het mogelijk maakt om 2D- of 3D-flexibele antennes met ingewikkelde structuren te fabriceren voor prestatie- en functieverbetering.”
Een rekbare antenne maken
Om de nieuwe fabricageaanpak te demonstreren, hebben de onderzoekers rekbare dipoolantennes gemaakt en hun reflectiecoëfficiënten bij verschillende frequenties gemeten. Deze experimenten toonden aan dat de pure hydrogel bijna alle invallende elektromagnetische golfenergie reflecteert, terwijl de dipoolantenne van vloeibaar metaal, ingebed in de hydrogel, het grootste deel van de invallende elektromagnetische golf effectief de vrije ruimte in straalt, waarbij minder dan 10% wordt gereflecteerd op de resonantiefrequentie.
Ze toonden ook aan dat door de uitgeoefende spanning te variëren van 0 tot 48%, de resonantiefrequentie van de antenne kan worden afgestemd van 770.3 MHz tot 927.0 MHz.
De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de afdichtingstechniek die wordt gebruikt op de lasergeïnduceerde microkanalen om de sterkte van de flexibele rekbare antenne en de drempelspanning van het lekken van vloeibaar metaal te vergroten. Ze zijn ook van plan te onderzoeken hoe deze nieuwe aanpak kan worden toegepast voor de ontwikkeling van volledig flexibele multidimensionale rek- en druksensoren met gecompliceerde 2D- of 3D-structuren.