Исследователи разработали новый метод изготовления крошечных растягивающихся антенн из гидрогеля и жидкого металла. Антенны могут использоваться в портативных и гибких беспроводных электронных устройствах для обеспечения связи между устройством и внешними системами подачи питания, обработки данных и связи.
«Используя наш новый подход к изготовлению, мы продемонстрировали, что длину антенны из жидкого металла можно сократить вдвое», — сказал Тао Чен из Сианьского университета Цзяотун в Китае. «Это может помочь уменьшить размеры носимых устройств, используемых для мониторинга здоровья, активности человека, портативных компьютеров и других приложений, сделав их более компактными и удобными».
В журнале Оптика ЭкспрессИсследователи описывают свою новую технику, которая включает в себя введение эвтектического галлия-индия — металлического сплава, который является жидкостью при комнатной температуре — в микроканал, созданный с помощью одноэтапного процесса фемтосекундной лазерной абляции. Они использовали этот метод для создания антенны размером 24 × 0.6 × 0.2 мм, встроенной в пластину гидрогеля размером 70 × 12 × 7 мм.
«Растягивающиеся и гибкие антенны могут быть полезны, например, для портативных медицинских устройств, которые контролируют температуру, кровяное давление и уровень кислорода в крови», — сказал Чен. «Отдельные мобильные устройства могут подключаться к более крупному блоку управления через гибкие антенны, которые будут передавать данные и другие коммуникации, образуя беспроводную сеть, охватывающую тело. Поскольку резонансные частоты гибких антенн меняются в зависимости от приложенной нагрузки, их потенциально можно также использовать в качестве носимых датчиков движения».
Более гибкий металл
Работа стала результатом предыдущих исследований, выполненных в сотрудничестве с Цзянь Ху из Университета науки имени короля Абдаллы и Технологии в Саудовской Аравии, где исследователи разработали способ изготовления трехмерных серебряных структур, встроенных в гидрогель, для измерения деформации с помощью фемтосекундной лазерной абляции (в сотрудничестве с профессором Цзянь Ху).
«Серебряные структуры плохо растягивались, поскольку были очень хрупкими», — сказал Чен. «Использование жидкого металла вместо твердой металлической конструкции не только облегчает заполнение металлом микроканала гидрогеля, но и увеличивает его способность растягиваться».
Чтобы создать дипольную антенну из жидкого металла — самый простой и наиболее широко используемый тип антенны — исследователи сканировали фемтосекундным лазером, чтобы сформировать пару симметричных микроканалов внутри гидрогеля, не повреждая поверхность. Короткая длительность импульса лазера обеспечивает высокую пиковую мощность, которая позволяет проводить абляцию прозрачного материала посредством нелинейных оптических эффектов, таких как многофотонное поглощение, что гарантирует, что абляция происходит только в точной фокусной точке лазера.
Затем они ввели жидкий металл в микроканалы, сформировав проволоку с гидрогелем, которую можно использовать в качестве антенны.
В качестве подложки они выбрали гидрогель, поскольку он обладает более благоприятными диэлектрическими свойствами по сравнению с полидиметилсилоксаном (ПДМС) и другими традиционными полимерными подложками, что позволяет уменьшить длину антенны вдвое. Устройства на основе гидрогеля также можно растянуть почти вдвое по сравнению с первоначальной длиной.
Однако устройства из жидкого металла на основе гидрогеля обычно изготавливаются с использованием лазера для гравировки канавок на верхней поверхности, заполнения их жидким металлом и последующего соединения подложки с рисунком с подложкой без гравировки.
«Используя наш метод, микроканал можно внедрить в гидрогель за один этап изготовления без необходимости склеивания слоев», — сказал Чен. «Кроме того, 3D-микроканалы, а также структуры из жидкого металла могут быть легко сформированы путем 3D-сканирования фемтосекундным лазером, что позволяет изготавливать 2D- или 3D-гибкие антенны со сложной структурой для повышения производительности и функциональности».
Делаем растягивающуюся антенну
Чтобы продемонстрировать новый подход к изготовлению, исследователи подготовили растягиваемые дипольные антенны и измерили их коэффициенты отражения на разных частотах. Эти эксперименты показали, что чистый гидрогель отражает почти всю энергию падающей электромагнитной волны, в то время как жидкометаллическая дипольная антенна, встроенная в гидрогель, эффективно излучает большую часть падающей электромагнитной волны в свободное пространство, при этом менее 10% отражается на резонансной частоте.
Они также показали, что, изменяя приложенную деформацию от 0 до 48%, резонансную частоту антенны можно настроить от 770.3 МГц до 927.0 МГц.
В настоящее время исследователи работают над улучшением технологии герметизации, используемой в лазерно-индуцированных микроканалах, чтобы увеличить прочность гибкой растягивающейся антенны и пороговую деформацию утечки жидкого металла. Они также планируют изучить, как этот новый подход можно применить для разработки полностью гибких многомерных датчиков деформации и давления со сложными 2D или 3D структурами.