Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo ăng-ten nhỏ có thể co giãn từ hydrogel và kim loại lỏng. Ăng-ten có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử không dây linh hoạt và có thể đeo được để cung cấp liên kết giữa thiết bị và các hệ thống bên ngoài để cung cấp năng lượng, xử lý dữ liệu và liên lạc.
Tao Chen từ Đại học Xi'an Jiaotong ở Trung Quốc cho biết: “Bằng cách sử dụng phương pháp chế tạo mới, chúng tôi đã chứng minh được rằng chiều dài của ăng-ten kim loại lỏng có thể giảm đi một nửa”. “Điều này có thể giúp giảm kích thước các thiết bị đeo được sử dụng để theo dõi sức khỏe, theo dõi hoạt động của con người, máy tính đeo trên người và các ứng dụng khác, khiến chúng nhỏ gọn và thoải mái hơn”.
Trong tạp chí quang học nhanh, các nhà nghiên cứu mô tả kỹ thuật mới của họ, bao gồm việc tiêm eutectic gali-indium – một hợp kim kim loại ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng – vào một vi kênh được tạo ra bằng quy trình cắt bỏ bằng laser femto giây một bước. Họ đã sử dụng phương pháp này để tạo ra một ăng-ten có kích thước 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm được nhúng vào tấm hydrogel 70 mm × 12 mm × 7 mm.
Chen cho biết: “Ăng-ten có thể kéo dài và linh hoạt có thể hữu ích cho các thiết bị y tế đeo được để theo dõi nhiệt độ, huyết áp và lượng oxy trong máu”. “Các thiết bị di động riêng biệt có thể kết nối với một bộ điều khiển lớn hơn thông qua các ăng-ten linh hoạt—có thể truyền dữ liệu và các thông tin liên lạc khác—tạo thành một mạng vùng cơ thể không dây. Vì tần số cộng hưởng của ăng-ten linh hoạt thay đổi theo độ căng được áp dụng nên chúng cũng có khả năng được sử dụng làm cảm biến chuyển động có thể đeo được.”
Kim loại dẻo hơn
Công trình này phát triển từ nghiên cứu trước đây, được thực hiện với sự cộng tác của Jian Hu từ Đại học Khoa học King Abdullah và Công nghệ ở Ả Rập Saudi, trong đó các nhà điều tra đã phát triển cách chế tạo các cấu trúc bạc 3D được nhúng trong hydrogel để cảm nhận biến dạng bằng cách sử dụng phương pháp cắt đốt bằng laser femto giây (hợp tác với Giáo sư Jian Hu).
Chen cho biết: “Các cấu trúc bạc có khả năng co giãn kém vì chúng rất dễ vỡ”. “Sử dụng kim loại lỏng thay vì cấu trúc kim loại rắn không chỉ giúp kim loại dễ dàng lấp đầy vi kênh hydrogel hơn mà còn tăng khả năng co giãn của nó”.
Để chế tạo ăng-ten lưỡng cực kim loại lỏng – loại ăng-ten đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất – các nhà nghiên cứu đã quét tia laser femto giây để tạo thành một cặp vi mạch đối xứng bên trong hydrogel mà không làm tổn hại đến bề mặt. Thời lượng xung ngắn của tia laser tạo ra công suất cực đại cao cho phép cắt bỏ vật liệu trong suốt thông qua các hiệu ứng quang học phi tuyến như hấp thụ đa photon, đảm bảo rằng quá trình cắt bỏ chỉ diễn ra tại tiêu điểm chính xác của tia laser.
Sau đó, họ bơm kim loại lỏng vào các vi mạch, tạo thành dây nhúng hydrogel có thể dùng làm ăng-ten.
Họ chọn hydrogel làm chất nền vì nó có đặc tính điện môi thuận lợi hơn so với polydimethylsiloxane (PDMS) và các chất nền polymer thông thường khác, cho phép giảm một nửa chiều dài của ăng-ten. Các thiết bị dựa trên hydrogel cũng có thể được kéo dài gần gấp đôi chiều dài ban đầu của chúng.
Tuy nhiên, các thiết bị kim loại lỏng dựa trên hydrogel thường được chế tạo bằng cách sử dụng tia laser để khắc các rãnh trên bề mặt trên, lấp đầy chúng bằng kim loại lỏng và sau đó liên kết chất nền có hoa văn với chất nền chưa được khắc.
Chen cho biết: “Sử dụng phương pháp của chúng tôi, vi kênh có thể được nhúng vào hydrogel chỉ bằng một bước chế tạo duy nhất mà không cần liên kết lớp”. “Ngoài ra, các vi mạch 3D cũng như các cấu trúc kim loại lỏng có thể được hình thành dễ dàng bằng cách quét 3D bằng tia laser femto giây, giúp chế tạo ăng-ten linh hoạt 2D hoặc 3D với các cấu trúc phức tạp để nâng cao hiệu suất và chức năng.”
Làm ăng-ten có thể kéo dài
Để chứng minh phương pháp chế tạo mới, các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị các ăng-ten lưỡng cực có thể co giãn và đo hệ số phản xạ của chúng ở các tần số khác nhau. Các thí nghiệm này cho thấy hydrogel tinh khiết phản xạ gần như toàn bộ năng lượng sóng điện từ tới, trong khi ăng-ten lưỡng cực kim loại lỏng được nhúng trong hydrogel phát ra phần lớn sóng điện từ tới một cách hiệu quả vào không gian tự do, với ít hơn 10% phản xạ ở tần số cộng hưởng.
Họ cũng chỉ ra rằng bằng cách thay đổi biến dạng áp dụng từ 0 đến 48%, tần số cộng hưởng của ăng-ten có thể được điều chỉnh từ 770.3 MHz đến 927.0 MHz.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực cải tiến kỹ thuật bịt kín được sử dụng trên các vi mạch cảm ứng bằng laser để tăng cường độ của ăng-ten có thể co giãn linh hoạt và ngưỡng biến dạng của kim loại lỏng bị rò rỉ. Họ cũng có kế hoạch khám phá cách áp dụng phương pháp mới này để phát triển các cảm biến áp suất và biến dạng đa chiều hoàn toàn linh hoạt với cấu trúc 2D hoặc 3D phức tạp.