用Wi-Fi信號發電！MIT新研究改寫充電方式，手機電源將無處不在

Wi-Fi在我們身邊無處不在，美國和西班牙的科學家沒有放過這看似不起眼、但範圍廣泛的射頻信號。他們採用只有幾個原子厚的二維半導體製成了新型的整流天線，它可以捕獲Wi-Fi信號，並將其轉化為電能，為電子設備提供電力，這使得未來Wi-Fi或許將成為一種使用廣泛的電源。

撰文 | 李曉慧

由於這種新設備非常薄且具有柔性，未來擁有廣泛的應用前景，包括柔性手機、可穿戴電子設備、植入式醫療設備、物聯網感測器等都有其用武之地，在實驗中，研究人員將這一設備暴露於Wi-Fi信號時，可以產生大約40微瓦的功率，足以點亮手機顯示器或硅晶元。目前，研究人員研發的這一設備能量轉化率約為30%，下一步他們還將進一步提高設備效率。

除了可以利用Wi-Fi之外，研究人員表示，我們身邊的4G、藍牙等射頻信號都可以加以利用，轉化為電能。這一研究的主要領導者麻省理工學院教授Tomás Palacios稱，這一突破為之後從環境中收集能源鋪平了道路，「當你擁有這樣一種能量收集設備時，一周7天，可以每天都在收集能量，然後將其存放在電池中以備日後使用。」這一研究結果發表在科學期刊Nature中。據研究人員介紹，這一技術的應用最早可能會出現在5到7年內。

Wi-Fi信號怎樣變成電？

研究人員將一個天線連接到只有三個原子厚度的柔性半導體層，天線捕獲Wi-Fi和其它射頻信號並將其轉換為交流電，之後交流電在半導體二硫化鉬中轉換為電子設備可以直接使用的直流電。通過這種方式，無電池設備可以被動地捕獲普遍存在的Wi-Fi信號並將其轉換為有用的直流電源。

天線和二硫化鉬二極體集成在一種聚醯亞胺薄膜上。

在實驗室中，研究人員將這一柔性設備置於150微瓦的Wi-Fi信號環境中，它可以產生約40微瓦的功率。「與計算機需要的60瓦相比，40微瓦看起來並不算多，但是我們仍然可以利用它做很多事情。」Tomás Palacios說。

為了建立這一套新型的整流器，研究人員使用了一種名為二硫化鉬（MoS2）的新型二維材料，其三原子厚度是世界上最薄的半導體之一，它由鉬和硫兩種元素組成的化合物，從外表上來看，它與石墨烯的薄度近乎相同，在二硫化鉬中，兩層硫原子把一層鉬原子像「三明治」一樣夾在中間。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通過100個電子），遠低於晶體硅的電子遷移速率1400cm2/vs，但是比非晶硅和其他超薄半導體的遷移速度更好。

而且二硫化鉬還具有儲量豐富、價格低廉、製作容易、無毒性等特點，因此很多科學家都認為：它的前途一片光明。

「我們將二硫化鉬設計成二維的半導體-金屬結，構建了一個原子級薄，超快的肖特基二極體，同時最大限度地降低了串聯電阻和寄生電容。」論文的第一作者Zhang Xu說。肖特基二極體的導通電壓非常低，一般的二極體在電流流過時，會產生約 0.7-1.7 伏特的壓降，不過肖特基二極體的壓降只有 0.15-0.45 伏特，因此可以提升系統的效率。

無處不在的智能

研究人員所使用的材料具備柔性，可大可小，能夠覆蓋非常大的區域，比如牆壁或天花板，也能夠集成於可穿戴設備、感測器、植入式醫療設備……

「如果未來開發出了可以覆蓋整個高速公路，或者覆蓋整個辦公室牆壁的電子設備，那麼該如何供電？」 Tomás Palacios說。「我們提出的這種為電子設備提供電力的新方法，易於在大面積區域集成，收集Wi-Fi能量，為我們周圍的每個物體帶來智能。」

天線將Wi-Fi中的電磁輻射轉換為交流電信號，基於二硫化鉬的二極體將交流電轉換為直流電，為電子設備供電。

論文的共同作者，西班牙馬德里理工大學的Jesús Grajal認為，另外一個可能的應用是為植入式醫療設備的數據通信提供電力。因為Wi-Fi和其它射頻信號可以通過人體，因此可以將這種新設備應用於植入物，向其提供足夠的電力將健康數據傳送到外部接收器。目前，很多研究人員都在開發可吞服，且能夠收集並傳輸健康數據的藥丸，「理想情況下，你不想使用電池為這樣的系統供電，因為如果發生鋰泄漏，病人就會死亡。」Jesús Grajal說，「所以從環境中獲取能源，為身體內的這些小型實驗室供電，就要好得多。」

目前，具有柔性，甚至可以彎折的智能手機是各大科技公司競爭的熱門市場，這也是柔性的新型「電源」可應用的領域，在實驗室中，研究人員特別利用典型功率水平的Wi-Fi 信號，產生了40微瓦的電力，足以點亮移動顯示器或硅晶元。

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/miot-cws012419.php

https://www.theguardian.com/science/2019/jan/28/scientists-create-super-thin-sheet-could-charge-our-phones

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