นักวิจัยใช้โลหะเหลวและการระเหยด้วยเลเซอร์เพื่อสร้างเสาอากาศขนาดเล็กที่ยืดได้

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างเสาอากาศขนาดเล็กที่ยืดได้จากไฮโดรเจลและโลหะเหลว เสาอากาศดังกล่าวสามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไร้สายที่สวมใส่ได้และมีความยืดหยุ่น เพื่อให้การเชื่อมโยงระหว่างอุปกรณ์และระบบภายนอกสำหรับการจ่ายพลังงาน การประมวลผลข้อมูล และการสื่อสาร

“ด้วยแนวทางการผลิตแบบใหม่ของเรา เราได้แสดงให้เห็นว่าความยาวของเสาอากาศโลหะเหลวสามารถลดลงได้ครึ่งหนึ่ง” Tao Chen จากมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong ในประเทศจีนกล่าว “สิ่งนี้อาจช่วยลดขนาดอุปกรณ์สวมใส่ที่ใช้สำหรับการตรวจสอบสุขภาพ การตรวจสอบกิจกรรมของมนุษย์ คอมพิวเตอร์ที่สวมใส่ได้ และแอปพลิเคชันอื่น ๆ ทำให้มีขนาดกะทัดรัดและสะดวกสบายมากขึ้น”

ในวารสาร ออปติกส์ เอ็กซ์เพรสนักวิจัยได้อธิบายเทคนิคใหม่ของพวกเขา ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฉีดยูเทคติกแกลเลียม-อินเดียม ซึ่งเป็นโลหะผสมที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง เข้าไปในไมโครช่องสัญญาณที่สร้างขึ้นด้วยกระบวนการระเหยด้วยเลเซอร์ femtosecond ในขั้นตอนเดียว พวกเขาใช้วิธีนี้เพื่อสร้างเสาอากาศขนาด 24 มม. × 0.6 มม. × 0.2 มม. ฝังอยู่ในแผ่นไฮโดรเจลขนาด 70 มม. × 12 มม. × 7 มม.

“เสาอากาศที่ยืดได้และยืดหยุ่นอาจมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สวมใส่ได้ ซึ่งตรวจวัดอุณหภูมิ ความดันโลหิต และออกซิเจนในเลือด เป็นต้น” เฉินกล่าว “อุปกรณ์เคลื่อนที่ที่แยกกันสามารถเชื่อมต่อกับหน่วยควบคุมที่ใหญ่กว่าผ่านเสาอากาศที่ยืดหยุ่น ซึ่งจะถ่ายโอนข้อมูลและการสื่อสารอื่น ๆ สร้างเครือข่ายบริเวณร่างกายไร้สาย เนื่องจากความถี่เรโซแนนซ์ของเสาอากาศที่ยืดหยุ่นจะแตกต่างกันไปตามความเครียดที่ใช้ จึงอาจใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวที่สวมใส่ได้”

โลหะที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น

งานนี้เกิดขึ้นจากการวิจัยก่อนหน้านี้ ซึ่งดำเนินการร่วมกับ Jian Hu จาก King Abdullah University of Science และ เทคโนโลยี ในซาอุดีอาระเบีย ซึ่งผู้วิจัยได้พัฒนาวิธีการประดิษฐ์โครงสร้างเงิน 3 มิติที่ฝังอยู่ในไฮโดรเจลสำหรับการตรวจจับความเครียดโดยใช้การผ่าตัดด้วยเลเซอร์ femtosecond (ร่วมมือกับศาสตราจารย์ Jian Hu)

“โครงสร้างเงินมีความยืดหยุ่นต่ำเนื่องจากเปราะบางมาก” เฉินกล่าว การใช้โลหะเหลวแทนโครงสร้างโลหะแข็งไม่เพียงแต่ทำให้โลหะง่ายต่อการเติมไมโครช่องไฮโดรเจลเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความสามารถในการยืดอีกด้วย”

เพื่อสร้างเสาอากาศไดโพลโลหะเหลว ซึ่งเป็นเสาอากาศชนิดที่ง่ายที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด นักวิจัยได้สแกนเลเซอร์ femtosecond เพื่อสร้างไมโครช่องสัญญาณแบบสมมาตรคู่หนึ่งภายในไฮโดรเจลโดยไม่ทำอันตรายต่อพื้นผิว ระยะเวลาพัลส์ที่สั้นของเลเซอร์ทำให้เกิดกำลังสูงสุดที่สูงซึ่งช่วยให้สามารถระเหยวัสดุโปร่งใสผ่านเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้น เช่น การดูดกลืนแสงแบบมัลติโฟตอน ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าการระเหยจะเกิดขึ้นที่จุดโฟกัสที่แม่นยำของเลเซอร์เท่านั้น

จากนั้นพวกเขาก็ฉีดโลหะเหลวเข้าไปในไมโครแชนเนล กลายเป็นลวดฝังไฮโดรเจลซึ่งสามารถใช้เป็นเสาอากาศได้

พวกเขาเลือกไฮโดรเจลเป็นสารตั้งต้นเนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) และสารตั้งต้นโพลีเมอร์ทั่วไปอื่นๆ ทำให้ความยาวของเสาอากาศลดลงครึ่งหนึ่ง อุปกรณ์ที่ใช้ไฮโดรเจลสามารถยืดออกจนเกือบสองเท่าของความยาวเดิมได้

อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์โลหะเหลวที่ใช้ไฮโดรเจลมักถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้เลเซอร์เพื่อแกะสลักร่องบนพื้นผิวด้านบน เติมด้วยโลหะเหลว จากนั้นจึงเชื่อมซับสเตรตที่มีลวดลายกับซับสเตรตที่ไม่ได้แกะสลัก

"โดยใช้วิธีการของเรา ไมโครช่องสามารถฝังอยู่ในไฮโดรเจลได้โดยใช้ขั้นตอนการผลิตเดียวโดยไม่จำเป็นต้องมีการยึดเกาะเป็นชั้น" เฉินกล่าว นอกจากนี้ ไมโครช่องสัญญาณ 3 มิติและโครงสร้างโลหะเหลวสามารถเกิดขึ้นได้อย่างง่ายดายด้วยการสแกนเลเซอร์เฟมโตวินาทีแบบ 3 มิติ ซึ่งทำให้สามารถสร้างเสาอากาศแบบยืดหยุ่น 2 มิติหรือ 3 มิติที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและฟังก์ชันได้”

การทำเสาอากาศแบบยืดได้

เพื่อสาธิตวิธีการประดิษฐ์แบบใหม่ นักวิจัยได้เตรียมเสาอากาศไดโพลแบบยืดได้และวัดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนที่ความถี่ต่างๆ การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจลบริสุทธิ์สะท้อนพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบเกือบทั้งหมด ในขณะที่เสาอากาศไดโพลโลหะเหลวที่ฝังอยู่ในไฮโดรเจลจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบส่วนใหญ่ออกสู่อวกาศอย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีน้อยกว่า 10% สะท้อนที่ความถี่เรโซแนนซ์

พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงความเครียดที่ใช้จาก 0 ถึง 48% ความถี่เรโซแนนซ์ของเสาอากาศสามารถปรับได้ตั้งแต่ 770.3 MHz ถึง 927.0 MHz

ขณะนี้นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงเทคนิคการปิดผนึกที่ใช้กับไมโครแชนแนลที่เกิดจากเลเซอร์ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของเสาอากาศที่ยืดหยุ่นได้ และความเครียดจากการรั่วไหลของโลหะเหลว พวกเขายังวางแผนที่จะสำรวจว่าแนวทางใหม่นี้สามารถนำมาใช้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์ความเครียดและความดันหลายมิติที่มีความยืดหยุ่นอย่างเต็มที่ด้วยโครงสร้าง 2D หรือ 3D ที่ซับซ้อนได้อย่างไร