Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer de minuscules antennes extensibles à partir d’hydrogel et de métal liquide. Les antennes pourraient être utilisées dans des appareils électroniques sans fil portables et flexibles pour fournir un lien entre l’appareil et des systèmes externes pour l’alimentation électrique, le traitement des données et la communication.
« Grâce à notre nouvelle approche de fabrication, nous avons démontré que la longueur d’une antenne en métal liquide peut être réduite de moitié », a déclaré Tao Chen de l’Université Jiaotong de Xi’an en Chine. « Cela pourrait aider à réduire la taille des appareils portables utilisés pour la surveillance de la santé, la surveillance de l’activité humaine, l’informatique portable et d’autres applications, les rendant ainsi plus compacts et plus confortables. »
Dans la revue Optique Express, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique, qui consiste à injecter du gallium-indium eutectique, un alliage métallique liquide à température ambiante, dans un microcanal créé par un processus d’ablation laser femtoseconde en une seule étape. Ils ont utilisé cette méthode pour créer une antenne mesurant 24 mm × 0,6 mm × 0,2 mm intégrée dans une dalle d’hydrogel de 70 mm × 12 mm × 7 mm.
« Des antennes extensibles et flexibles pourraient être utiles pour les dispositifs médicaux portables qui surveillent la température, la pression artérielle et l’oxygène dans le sang, par exemple », a déclaré Chen. « Des appareils mobiles séparés pourraient se connecter à une unité de contrôle plus grande via les antennes flexibles, qui transféreraient des données et d’autres communications, formant ainsi un réseau corporel sans fil. Étant donné que les fréquences de résonance des antennes flexibles varient en fonction de la contrainte appliquée, elles pourraient potentiellement également être utilisé comme capteur de mouvement portable.
Un métal plus flexible
Le travail est né de recherches antérieures, réalisées en coopération avec Jian Hu de l’Université des sciences et technologies King Abdullah en Arabie Saoudite, dans lesquelles les chercheurs ont développé un moyen de fabriquer des structures d’argent 3D intégrées dans un hydrogel pour la détection de contrainte par ablation laser femtoseconde (en coopération avec le professeur Jian Hu).
« Les structures en argent présentaient une faible extensibilité car elles étaient très fragiles », a déclaré Chen. « L’utilisation de métal liquide au lieu d’une structure métallique solide facilite non seulement le remplissage du microcanal d’hydrogel, mais augmente également sa capacité à s’étirer. »
Pour fabriquer une antenne dipôle en métal liquide (le type d’antenne le plus simple et le plus largement utilisé), les chercheurs ont scanné un laser femtoseconde pour former une paire de microcanaux symétriques à l’intérieur d’un hydrogel sans endommager la surface. La courte durée d’impulsion du laser produit une puissance de crête élevée qui permet l’ablation du matériau transparent via des effets optiques non linéaires comme l’absorption multiphotonique, ce qui garantit que l’ablation n’a lieu qu’au point focal précis du laser.
Ils ont ensuite injecté le métal liquide dans les microcanaux, formant ainsi un fil intégré dans un hydrogel pouvant être utilisé comme antenne.
Ils ont choisi l’hydrogel comme substrat car il possède des propriétés diélectriques plus favorables par rapport au polydiméthylsiloxane (PDMS) et à d’autres substrats polymères conventionnels, permettant de réduire de moitié la longueur de l’antenne. Les appareils à base d’hydrogel peuvent également être étirés jusqu’à presque doubler leur longueur d’origine.
Cependant, les dispositifs en métal liquide à base d’hydrogel sont généralement fabriqués à l’aide d’un laser pour graver des rainures sur la surface supérieure, les remplir de métal liquide, puis lier le substrat à motifs avec un substrat non gravé.
« Grâce à notre méthode, le microcanal peut être intégré dans l’hydrogel en une seule étape de fabrication sans avoir besoin de liaison de couches », a déclaré Chen. « De plus, des microcanaux 3D ainsi que des structures de métal liquide peuvent être facilement formés par balayage 3D du laser femtoseconde, ce qui permet de fabriquer des antennes flexibles 2D ou 3D avec des structures complexes pour améliorer les performances et les fonctions. »
Fabriquer une antenne extensible
Pour démontrer la nouvelle approche de fabrication, les chercheurs ont préparé des antennes dipôles extensibles et mesuré leurs coefficients de réflexion à différentes fréquences. Ces expériences ont montré que l’hydrogel pur reflète presque toute l’énergie des ondes électromagnétiques incidentes, tandis que l’antenne dipôle en métal liquide intégrée dans l’hydrogel rayonne efficacement la majeure partie de l’onde électromagnétique incidente dans l’espace libre, avec moins de 10 % réfléchis à la fréquence de résonance.
Ils ont également montré qu’en faisant varier la contrainte appliquée de 0 à 48 %, la fréquence de résonance de l’antenne peut être réglée de 770,3 MHz à 927,0 MHz.
Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer la technique de scellement utilisée sur les microcanaux induits par laser afin d’augmenter la résistance de l’antenne flexible et extensible et la contrainte seuil de fuite de métal liquide. Ils prévoient également d’explorer comment cette nouvelle approche pourrait être appliquée au développement de capteurs de contrainte et de pression multidimensionnels entièrement flexibles avec des structures 2D ou 3D complexes.
Plus d’information:
Pingping Zhao et al, Fabrication d’une antenne flexible et extensible à base d’hydrogel utilisant un laser femtoseconde pour la miniaturisation, Optique Express (2023). DOI : 10.1364/OE.496360