Imaginez un monde où les smartphones, ordinateurs portables, portables, et d'autres appareils électroniques sont alimentés sans piles. Des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont fait un pas dans cette direction, avec le premier appareil entièrement flexible capable de convertir l'énergie des signaux Wi-Fi en électricité pouvant alimenter l'électronique.

Les appareils qui convertissent les ondes électromagnétiques CA en électricité CC sont appelés « rectennas ». Les chercheurs font la démonstration d'un nouveau type de rectenna, décrit dans une étude publiée dans La nature , qui utilise une antenne radiofréquence (RF) flexible qui capture les ondes électromagnétiques, y compris celles transportant le Wi-Fi, sous forme d'ondes CA.

L'antenne est ensuite connectée à un nouveau dispositif constitué d'un semi-conducteur bidimensionnel de quelques atomes d'épaisseur seulement. Le signal AC voyage dans le semi-conducteur, qui le convertit en une tension continue qui pourrait être utilisée pour alimenter des circuits électroniques ou recharger des batteries.

De cette façon, l'appareil sans batterie capture et transforme passivement les signaux Wi-Fi omniprésents en une alimentation CC utile. De plus, le dispositif est flexible et peut être fabriqué dans un processus rouleau à rouleau pour couvrir de très grandes surfaces.

"Et si nous pouvions développer des systèmes électroniques que nous enroulons autour d'un pont ou couvrons une autoroute entière, ou les murs de notre bureau et apporter l'intelligence électronique à tout ce qui nous entoure ? Comment fournissez-vous de l'énergie à ces appareils électroniques ?", déclare le co-auteur de l'article, Tomás Palacios, professeur au Département de génie électrique et d'informatique et directeur du MIT/MTL Center for Graphene Devices and 2-D Systems dans les Microsystems Technology Laboratories. "Nous avons trouvé une nouvelle façon d'alimenter les systèmes électroniques du futur - en récupérant l'énergie Wi-Fi d'une manière qui s'intègre facilement dans de grandes zones - pour apporter de l'intelligence à chaque objet qui nous entoure."

Les premières applications prometteuses de la rectenna proposée incluent l'alimentation d'électronique flexible et portable, Équipement médical, et des capteurs pour « l'internet des objets ». Smartphones flexibles, par exemple, sont un nouveau marché en vogue pour les grandes entreprises technologiques. Dans les expériences, l'appareil des chercheurs peut produire environ 40 microwatts de puissance lorsqu'il est exposé aux niveaux de puissance typiques des signaux Wi-Fi (environ 150 microwatts). C'est plus que suffisant pour éclairer un simple écran mobile ou des puces de silicium.

Une autre application possible est l'alimentation des communications de données des dispositifs médicaux implantables, dit le co-auteur Jesús Grajal, chercheur à l'Université technique de Madrid. Par exemple, les chercheurs commencent à développer des pilules qui peuvent être avalées par les patients et qui transmettent les données de santé à un ordinateur pour le diagnostic.

"Idéalement, vous ne voulez pas utiliser de batteries pour alimenter ces systèmes, car s'ils fuient du lithium, le patient pourrait mourir, " dit Grajal. " Il est bien mieux de récupérer l'énergie de l'environnement pour alimenter ces petits laboratoires à l'intérieur du corps et communiquer des données à des ordinateurs externes. "

Toutes les rectennas reposent sur un composant appelé « redresseur, " qui convertit le signal d'entrée CA en courant continu. Les redresseurs traditionnels utilisent soit du silicium, soit de l'arséniure de gallium pour le redresseur. Ces matériaux peuvent couvrir la bande Wi-Fi, mais ils sont rigides. Et, bien que l'utilisation de ces matériaux pour fabriquer de petits appareils soit relativement peu coûteuse, les utiliser pour couvrir de vastes zones, comme les surfaces des bâtiments et des murs, serait d'un coût prohibitif. Les chercheurs tentent de résoudre ces problèmes depuis longtemps. Mais les quelques rectennas flexibles signalés jusqu'à présent fonctionnent à des fréquences basses et ne peuvent pas capturer et convertir les signaux en fréquences gigahertz, où se trouvent la plupart des signaux de téléphone portable et Wi-Fi pertinents.

Pour construire leur redresseur, les chercheurs ont utilisé un nouveau matériau 2D appelé bisulfure de molybdène (MoS2), qui, à trois atomes d'épaisseur, est l'un des semi-conducteurs les plus minces au monde. Ce faisant, l'équipe a tiré parti d'un comportement singulier du MoS2 :lorsqu'il est exposé à certains produits chimiques, les atomes du matériau se réarrangent d'une manière qui agit comme un interrupteur, forcer une transition de phase d'un semi-conducteur à un matériau métallique. Cette structure est connue sous le nom de diode Schottky, qui est la jonction d'un semi-conducteur avec un métal.

"En concevant MoS2 dans une jonction de phase semi-conductrice-métallique 2-D, nous avons construit un atomiquement mince, diode Schottky ultrarapide qui minimise simultanément la résistance série et la capacité parasite, " dit le premier auteur et postdoc EECS Xu Zhang, qui rejoindra bientôt l'Université Carnegie Mellon en tant que professeur assistant.

La capacité parasite est une situation incontournable en électronique où certains matériaux stockent un peu de charge électrique, ce qui ralentit le circuit. Capacité inférieure, donc, signifie des vitesses de redressement accrues et des fréquences de fonctionnement plus élevées. La capacité parasite de la diode Schottky des chercheurs est d'un ordre de grandeur inférieure à celle des redresseurs flexibles de pointe d'aujourd'hui, il est donc beaucoup plus rapide à la conversion du signal et lui permet de capturer et de convertir jusqu'à 10 gigahertz de signaux sans fil.

"Une telle conception a permis un appareil entièrement flexible qui est assez rapide pour couvrir la plupart des bandes de fréquences radio utilisées par notre électronique quotidienne, y compris le Wi-Fi, Bluetooth, LTE cellulaire, et plein d'autres, " dit Zhang.

Les travaux rapportés fournissent des plans pour d'autres appareils flexibles Wi-Fi vers électricité avec une sortie et une efficacité substantielles. L'efficacité de sortie maximale pour l'appareil actuel s'élève à 40 pour cent, en fonction de la puissance d'entrée de l'entrée Wi-Fi. Au niveau de puissance Wi-Fi typique, le rendement énergétique du redresseur MoS2 est d'environ 30 %. Pour référence, les meilleurs rectennas de silicium et d'arséniure de gallium d'aujourd'hui fabriqués à partir de rigide, le silicium ou l'arséniure de gallium plus chers atteignent environ 50 à 60 pour cent.

Il y a 15 autres co-auteurs de papier du MIT, Université technique de Madrid, le laboratoire de recherche de l'armée, Université Charles III de Madrid, Université de Boston, et l'Université de Californie du Sud.

L'équipe prévoit maintenant de construire des systèmes plus complexes et d'améliorer l'efficacité. Le travail a été rendu possible, en partie, par une collaboration avec l'Université technique de Madrid à travers les initiatives internationales pour la science et la technologie du MIT (MISTI). Il a également été partiellement soutenu par l'Institute for Soldier Nanotechnologies, le Laboratoire de recherche de l'armée, le Center for Integrated Quantum Materials de la National Science Foundation, et le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne.