COBALAH bayangkan ketika smartphone, laptop, gadget, dan perangkat elektronik lainnya, dapat dioperasikan dengan daya tanpa baterai. Para peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan universitas di Spanyol, kini tengah mengambil langkah ke arah itu, dengan perangkat sepenuhnya fleksibel pertama yang dapat mengubah energi dari sinyal Wi-Fi menjadi listrik yang dapat memberi daya elektronik.
Perangkat yang dikembangkan itu mampu mengubah gelombang elektromagnetik AC menjadi listrik DC, dan dikenal sebagai “rectennas.”
Para peneliti mendemonstrasikan jenis rectenna baru, sebagaimana diuraikan dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di jurnal Nature belum lama ini, yang menggunakan antena frekuensi radio (RF) yang fleksibel yang menangkap gelombang elektromagnetik – termasuk yang membawa Wi-Fi – sebagai bentuk gelombang AC.
Antena tersebut kemudian dihubungkan ke perangkat novel yang terbuat dari semikonduktor dua dimensi yang tebalnya hanya beberapa atom. Sinyal AC bergerak ke semikonduktor, yang mengubahnya menjadi tegangan DC yang dapat digunakan untuk memberi daya pada sirkuit elektronik atau mengisi ulang baterai.
Dengan cara ini, perangkat bebas-baterai secara pasif kemudian menangkap dan mengubah sinyal Wi-Fi di mana menjadi daya DC yang bermanfaat. Selain itu, perangkat ini fleksibel dan dapat dibuat dalam proses roll-to-roll untuk mencakup area yang sangat besar.
“Bagaimana jika kita dapat mengembangkan sistem elektronik yang kita lilitkan di jembatan atau menutupi seluruh jalan raya, atau dinding kantor kita dan membawa kecerdasan elektronik ke segala sesuatu di sekitar kita? Bagaimana Anda menyediakan energi untuk elektronik itu? ” kata salah satu penulis makalah penelitian itu, Tomás Palacios, yang adalah profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer dan direktur Pusat MIT / MTL untuk Perangkat Graphene dan Sistem 2D di Laboratorium Teknologi Sistem Mikro.
“Kami telah menemukan cara baru untuk memberi daya pada sistem elektronik masa depan – dengan memanen energi Wi-Fi dengan cara yang mudah diintegrasikan di area yang luas – untuk menghadirkan kecerdasan ke setiap objek di sekitar kita.”
Aplikasi awal ini menjanjikan untuk usulan rectenna termasuk menyalakan elektronik yang fleksibel dan dapat dipakai, perangkat medis, dan sensor untuk “internet of things.”
Smartphone fleksibel, misalnya, adalah pasar baru yang hot untuk perusahaan teknologi besar. Dalam percobaan, perangkat peneliti dapat menghasilkan sekitar 40 microwatt daya ketika terpapar ke tingkat daya khas sinyal Wi-Fi (sekitar 150 mikrowatt). Itu lebih dari cukup daya untuk menyalakan LED atau menggerakkan chip silikon.
Aplikasi lain yang mungkin adalah memperkuat komunikasi data dari perangkat medis implan, kata penulis lainnya, Jesús Grajal, seorang peneliti di Technical University of Madrid. Sebagai contoh, para peneliti mulai mengembangkan pil yang dapat ditelan oleh pasien dan mengalirkan data kesehatan kembali ke komputer untuk diagnosa.
“Idealnya Anda tidak ingin menggunakan baterai untuk memberi daya pada sistem ini, karena jika mereka membocorkan lithium, pasien bisa mati,” kata Grajal.
“Adalah jauh lebih baik untuk memanen energi dari lingkungan untuk menyalakan laboratorium kecil ini di dalam tubuh dan mengkomunikasikan data ke komputer eksternal.”
Semua kotak bergantung pada komponen yang dikenal sebagai “penyearah,” yang mengubah sinyal input AC menjadi daya DC. Rectangular tradisional menggunakan silikon atau gallium arsenide untuk rectifier. Bahan-bahan ini dapat menutupi pita Wi-Fi, tetapi kaku.
Sekalipun menggunakan bahan-bahan ini untuk membuat perangkat kecil relatif murah, menggunakannya untuk menutupi area yang luas, seperti permukaan bangunan dan dinding, akan mahal biaya. Para peneliti telah mencoba untuk memperbaiki masalah ini sejak lama. Tetapi beberapa kotak fleksibel yang dilaporkan sejauh ini beroperasi pada frekuensi rendah dan tidak dapat menangkap dan mengubah sinyal dalam frekuensi gigahertz, di mana sebagian besar ponsel yang relevan dan sinyal Wi-Fi berada.
Untuk membangun penyearah mereka, para peneliti menggunakan bahan 2-D novel yang disebut molybdenum disulfide (MoS2), yang pada tiga atom tebal adalah salah satu semikonduktor tertipis di dunia. Dengan melakukan hal itu, tim meningkatkan perilaku tunggal MoS2:
Ketika terpapar bahan kimia tertentu, atom-atom material disusun ulang dengan cara yang bertindak seperti sakelar, yang memaksa transisi fase dari semikonduktor ke bahan logam. Struktur yang dihasilkan dikenal sebagai dioda Schottky, yang merupakan persimpangan semikonduktor dengan logam.
“Dengan merekayasa MoS2 ke persimpangan fase semikonduktor-2-D, kami membangun dioda Schottky yang sangat tipis dan atom yang secara simultan meminimalkan resistansi seri dan kapasitansi parasit,” kata Xu Zhang, yang akan segera bergabung dengan Carnegie Mellon Universitas sebagai asisten profesor.
Kapasitansi parasit adalah situasi yang tidak dapat dihindari dalam elektronik di mana bahan tertentu menyimpan sedikit muatan listrik, yang memperlambat sirkuit. Kapasitansi yang lebih rendah, karenanya, berarti peningkatan kecepatan penyearah dan frekuensi operasi yang lebih tinggi. Kapasitansi parasit dioda Schottky para peneliti adalah urutan besarnya lebih kecil dari penyearah fleksibel canggih saat ini, sehingga jauh lebih cepat pada konversi sinyal dan memungkinkannya untuk menangkap dan mengkonversi hingga 10 gigahertz sinyal nirkabel.
“Desain seperti itu memungkinkan perangkat sepenuhnya fleksibel yang cukup cepat untuk menutupi sebagian besar pita frekuensi radio yang digunakan oleh elektronik sehari-hari kita, termasuk Wi-Fi, Bluetooth, LTE seluler, dan banyak lainnya,” kata Zhang.
Pekerjaan yang dilaporkan menyediakan cetak biru untuk perangkat Wi-Fi-ke-listrik fleksibel lainnya dengan output dan efisiensi yang substansial. Efisiensi output maksimum untuk perangkat saat ini adalah 40 persen, tergantung pada daya input dari input Wi-Fi. Pada tingkat daya Wi-Fi pada umumnya, efisiensi daya penyearah MoS2 adalah sekitar 30 persen. Sebagai referensi, saat ini persegi panjang yang terbuat dari silikon atau gallium arsenide yang kaku, lebih mahal mencapai sekitar 50 hingga 60 persen.
“Kerja tim yang sangat bagus dari MIT ini menunjukkan aplikasi nyata semikonduktor tipis pertama untuk rectenna fleksibel untuk pemanenan energi,” kata Philip Kim, seorang profesor fisika dan fisika terapan di Universitas Harvard yang penelitiannya berfokus pada bahan 2-D.
“Saya kagum dengan pendekatan inovasi yang telah disiapkan tim untuk memanfaatkan energi limbah dari daya RF di sekitar kita.”
Ada 15 penulis yang menulis makalah lain dari MIT, Technical University of Madrid, Army Research Laboratory, Charles III University of Madrid, Boston University, dan University of Southern California.
Tim sekarang berencana untuk membangun sistem yang lebih kompleks dan meningkatkan efisiensi. Pekerjaan itu dimungkinkan, sebagian, dengan kolaborasi dengan Universitas Teknis Madrid melalui MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI). Itu juga sebagian didukung oleh Institute for Soldier Nanotechnologies, Army Research Laboratory, National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, dan Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara.***
