能量收集设计的目的是将Wi-Fi信号转换成可用的能量

任何发出Wi-Fi信号的设备也会发出太赫兹波——频率介于微波和红外线之间的电磁波。这些被称为“t射线”的高频辐射波几乎是由任何记录温度的东西产生的,包括我们自己的身体和我们周围的无生命物体。

太赫兹波在我们的日常生活中无处不在,如果加以利用,它们集中的能量可能成为一种替代能源。想象一下,例如,一个手机附加组件被动地吸收周围的t射线,并利用它们的能量为你的手机充电。然而,到目前为止,太赫兹波是浪费能源,因为还没有实际的方法来捕获和转换成任何可用的形式。

现在,麻省理工学院的物理学家们已经为一种设备设计了蓝图,他们相信这种设备能够将环境中的太赫兹波转换成直流电,直流电是一种为许多家用电器提供动力的电流。

他们的设计利用了碳材料石墨烯的量子力学或原子行为。他们发现,通过将石墨烯与另一种材料(在本例中为氮化硼)结合,石墨烯中的电子会向一个共同的方向运动。任何传入的太赫兹波都应该像许多微小的空中交通管制员一样,将石墨烯的电子以直流电的形式沿单一方向穿过材料。

研究人员今天在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表了他们的研究结果,并正与实验人员合作,将他们的设计转化为物理设备。

“我们被太赫兹范围内的电磁波包围着,”麻省理工学院材料研究实验室的博士后Hiroki Isobe说。“如果我们能把这些能量转化为日常生活所需的能源,那将有助于解决我们目前面临的能源挑战。”

Isobe的合著者是梁福,劳伦斯·c和萨拉·w·比登哈恩,麻省理工学院物理学职业发展副教授;徐素阳,前麻省理工学院博士后,现在是哈佛大学的化学助理教授。

打破石墨烯的对称

在过去的十年里,科学家们一直在寻找获取和转换环境能量为可用电能的方法。他们主要通过整流器将电磁波从振荡电流(交流电)转换成直流电。

大多数整流器被设计成转换诸如无线电波之类的低频波,使用带有二极管的电路来产生电场,使无线电波以直流电流的形式通过整流器。这些整流器只能工作到一定的频率,不能适应太赫兹范围。

一些实验技术已经能够将太赫兹波转换成直流电,但只有在超冷温度下才能做到这一点——这种设置在实际应用中很难实现。

而不是将电磁波转化为直流电流通过外部电场装置,Isobe怀疑,在量子力学层面,物质可以诱导的电子向一个方向流动,以引导入射太赫兹波直流电流。

这种材料必须非常干净,或者没有杂质,这样材料中的电子才能通过而不会散射材料中的不规则物质。他发现石墨烯是理想的起始材料。

要使石墨烯的电子流向一个方向,他必须打破材料固有的对称性,即物理学家所说的“反转”。“通常情况下,石墨烯的电子感受到它们之间的作用力相等,这意味着任何入射能量都会将电子对称地分散到各个方向。”Isobe正在寻找打破石墨烯倒转的方法,并在入射能量的作用下诱导电子的不对称流动。

通过查阅文献,他发现其他人曾将石墨烯置于一层氮化硼之上进行实验,氮化硼是由硼和氮两种原子构成的类似蜂窝状晶格。他们发现,在这种排列中,石墨烯电子之间的力失去了平衡:靠近硼的电子感受到一种特定的力,而靠近氮的电子感受到一种不同的拉力。整体效果就是物理学家所说的“斜散射”,即电子云使它们的运动向一个方向倾斜。

Isobe系统地研究了石墨烯中的电子与底层基质(如氮化硼)结合时的散射方式,以及电子散射对电磁波的影响,特别是太赫兹频率范围内的电磁波。

他发现,电子受到入射太赫兹波的驱动,向一个方向偏斜,如果石墨烯相对纯净,这种偏斜运动就会产生直流电流。如果石墨烯中确实存在太多杂质,它们将成为电子云路径上的障碍,导致电子云向各个方向分散,而不是像一个方向移动。

伊泽贝解释说:“由于有许多杂质,这种倾斜运动最终会产生振荡,任何传入的太赫兹能量都会在振荡中损失。”“所以我们想要一个干净的样本有效地得到一个扭曲的运动。”

一个方向

他们还发现,接收到的太赫兹能量越强,设备转换成直流电流的能量就越多。这意味着,任何转换t射线的设备也应该包括一种方法,在进入设备之前集中这些波。

记住这一切,研究者们起草了一份蓝图太赫兹整流器,由一个小广场坐落在一层氮化硼的石墨烯和夹在天线收集和集中环境太赫兹辐射,提高它的信号足以将它转换为直流电流。

傅说:“除了不同的频率范围外,它的工作原理与太阳能电池非常相似,可以被动地收集和转换周围的能量。”

团队已经申请了专利的新的“高频整流”设计,麻省理工学院与实验物理学家和研究人员正在开发一个基于他们的设计物理设备,应能在室温下工作,与以前的太赫兹整流器和所需的超冷的温度探测器。

“如果一个设备在室温下工作,我们可以将它用于许多便携应用,”Isobe说。

他设想,在不久的将来,太赫兹整流器可能会被用于,例如,在病人体内无线充电,而不需要通过手术改变植入物的电池。这种设备还可以转换周围的Wi-Fi信号,为笔记本电脑和手机等个人电子产品充电。

“我们正在利用一种原子尺度上有些不对称的量子材料,它现在可以被利用,这带来了很多可能性,”傅说。

这项研究的部分资金由美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所(ISN)提供。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/energy-harvesting-wi-fi-power-0327

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