Os pesquisadores desenvolveram um novo método para fazer pequenas antenas extensíveis a partir de hidrogel e metal líquido. As antenas poderiam ser usadas em dispositivos eletrônicos sem fio flexíveis e vestíveis para fornecer um link entre o dispositivo e sistemas externos para fornecimento de energia, processamento de dados e comunicação.
“Usando nossa nova abordagem de fabricação, demonstramos que o comprimento de uma antena de metal líquido pode ser cortado pela metade”, disse Tao Chen, da Universidade Xi'an Jiaotong, na China. “Isso pode ajudar a reduzir o tamanho dos dispositivos vestíveis usados para monitoramento de saúde, monitoramento de atividades humanas, computação vestível e outras aplicações, tornando-os mais compactos e confortáveis.”
Na revista Ótica Express, os pesquisadores descrevem sua nova técnica, que envolve a injeção eutética de gálio-índio - uma liga metálica que é líquida à temperatura ambiente - em um microcanal criado com um processo de ablação a laser de femtosegundo de etapa única. Eles usaram esse método para criar uma antena medindo 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm embutida em uma placa de hidrogel de 70 mm × 12 mm × 7 mm.
“Antenas extensíveis e flexíveis podem ser úteis para dispositivos médicos vestíveis que monitoram temperatura, pressão arterial e oxigênio no sangue, por exemplo”, disse Chen. “Dispositivos móveis separados poderiam se conectar a uma unidade de controle maior por meio de antenas flexíveis – que transfeririam dados e outras comunicações – formando uma rede sem fio na área do corpo. Como as frequências de ressonância das antenas flexíveis variam com a tensão aplicada, elas também poderiam ser usadas como sensores de movimento vestíveis.”
Um metal mais flexível
O trabalho surgiu de pesquisas anteriores realizadas em cooperação com Jian Hu da King Abdullah University of Science e Equipar na Arábia Saudita, onde os investigadores desenvolveram uma maneira de fabricar estruturas de prata 3D incorporadas em hidrogel para detecção de deformação usando ablação a laser de femtosegundo (cooperada com o Prof. Jian Hu).
“As estruturas de prata exibiam pouca elasticidade porque eram muito frágeis”, disse Chen. “Usar metal líquido em vez de uma estrutura de metal sólido não apenas torna o metal mais fácil de preencher o microcanal de hidrogel, mas aumenta sua capacidade de esticar.”
Para fazer uma antena dipolo de metal líquido – o tipo de antena mais simples e amplamente utilizado – os pesquisadores digitalizaram um laser de femtosegundo para formar um par de microcanais simétricos dentro de um hidrogel sem danificar a superfície. A curta duração do pulso do laser produz uma alta potência de pico que permite a ablação de material transparente por meio de efeitos ópticos não lineares, como absorção multifotônica, o que garante que a ablação ocorra apenas no ponto focal preciso do laser.
Eles então injetaram o metal líquido nos microcanais, formando um fio embutido em hidrogel que pode ser usado como antena.
Eles selecionaram o hidrogel como substrato porque possui propriedades dielétricas mais favoráveis em comparação ao polidimetilsiloxano (PDMS) e outros substratos poliméricos convencionais, permitindo que o comprimento da antena seja reduzido pela metade. Dispositivos baseados em hidrogel também podem ser esticados até quase dobrar seu comprimento original.
No entanto, os dispositivos de metal líquido à base de hidrogel são normalmente fabricados usando um laser para gravar ranhuras na superfície superior, preenchendo-as com metal líquido e depois ligando o substrato padronizado a um substrato não gravado.
“Usando nosso método, o microcanal pode ser incorporado em hidrogel usando uma única etapa de fabricação, sem necessidade de colagem de camadas”, disse Chen. “Além disso, microcanais 3D, bem como estruturas de metal líquido, podem ser facilmente formados pela varredura 3D do laser de femtosegundo, o que torna possível fabricar antenas flexíveis 2D ou 3D com estruturas complicadas para desempenho e aprimoramento de função.”
Fazendo uma antena extensível
Para demonstrar a nova abordagem de fabricação, os pesquisadores prepararam antenas dipolo extensíveis e mediram seus coeficientes de reflexão em diferentes frequências. Esses experimentos mostraram que o hidrogel puro reflete quase toda a energia das ondas eletromagnéticas incidentes, enquanto a antena dipolo de metal líquido embutida no hidrogel irradia a maior parte da onda eletromagnética incidente efetivamente no espaço livre, com menos de 10% refletida na frequência de ressonância.
Eles também mostraram que variando a deformação aplicada de 0 a 48%, a frequência de ressonância da antena pode ser sintonizada de 770.3 MHz a 927.0 MHz.
Os pesquisadores estão agora trabalhando para melhorar a técnica de vedação usada nos microcanais induzidos por laser para aumentar a resistência da antena extensível flexível e a tensão limite de vazamento de metal líquido. Eles também planejam explorar como essa nova abordagem poderia ser aplicada no desenvolvimento de sensores multidimensionais de deformação e pressão totalmente flexíveis com estruturas 2D ou 3D complicadas.