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能自由变形的液态金属天线

时间: 2015年06月17日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
使用电化学方法,北卡罗来纳州立大学的研究者们制造出一种可重构,由电压控制的液态金属天线,有望在将来的移动设备和互联网技术方面发挥重要作用。

液态金属天线和馈电系统以及储液槽。图片来源:Jacob Adams

 

多年来,科学家对液态金属电器充满了浓厚的兴趣,但阻碍这类电子器件进一步得到发展的一个显著缺点是它们对外部泵的需求,而外部泵很难被接入电子系统中。

 

近日,北卡罗来纳州立大学的研究者们着手制造出一种由电压控制的可重构液态金属天线,研究结果发表在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》中。

 

该研究组工作的灵感来自研究者之一,北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系(the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at NCSU)教授Michael Dickey的课题组近来在研究液态金属时所观察到的一种现象。 该现象显示, 当在液态金属和电解质的界面加载电压时,液态金属会伸展或者收缩--取决于电压的正负值。

 

谈一点关于天线的背景知识,一般来说,构成天线的导电路径的形状和长度决定了天线的重要性质如工作频率和辐射模式。“如果使用诸如共晶镓(eutectic gallium)和铟(indium)等的液态金属制作天线,液体形状的可改变性使我们能够大幅度地调整天线的性质,比固体天线的可调范围要大的多。” 北卡罗来纳州立大学电子与计算机工程系(the Department of Electrical and Computer Engineering at NCSU)副教授,论文的合作者Jacob Adams解释说。

 

那么该研究组如何制作出由电压控制的可调天线呢?通过电化学反应使液态金属丝缩短或者拉长,改变天线的工作频率。施加一个低正电压使金属流入一个毛细管道,而低负电压会使金属从毛细管道里收缩回来。

 

正电压“通过电化学作用将氧化物沉积在金属表面,从而降低表面张力,而负电压将这些氧化物移除,从而增加表面张力,”Adams说。表面张力的变化决定了液态金属的流向。

 

这些方法使“通过加载电压(在液态金属表面)移除和再生‘氧化物表皮’成为可能,如此便可以控制液态金属在毛细管道中的流入与流出。我们把这种现象称之为‘电化学控制毛细管作用,’其效果相当于电化学泵对于液态金属的作用,”Adams强调说。

 

尽管固体天线的性能也可以通过使用电子开关来重构调整,但液态金属天线可大幅度地提高工作频率的可调范围。“我们的液态金属天线模型的可调范围比使用电子开关的电子系统大至少两倍,”他指出。

 

液态金属天线在移动电器领域有着大量潜在的应用。“移动电器的尺寸在不断缩小,互联网技术的不断发展将对小型无线系统有着大量需求,”Adams说。“这类电器能够提供的服务越多,相应的,天线和射频前段能够运行操作的频段数量也会越多。对于移动电器系统来说,设计出满足所有需求的天线会是一项挑战,因为天线的尺寸和工作频段是彼此冲突的权衡,不能够同时满足所需求的条件。”

 

这就是为什么可调天线在目前被大量需求:它们可以制作小型化器件且能够被调节修正近场加载问题,如Iphone4常被大家诟病的“死亡之握”,即,只要握住手机的底部便会掉线。而液态金属系统“拥有比传统的可重构天线范围大的多的可调频段,并且同样的方法可被用在其他部件如可调滤波器当中,”Adam说。

 

研究人员下一步的计划是什么呢?他们已经开始研究可调液态金属的基本以及应用方面的性质。“关于表面氧化物自身的性能以及它们对金属表面张力的作用仍有待我们更多的了解,”Adams说。“我们正在研究如何提高天线重构建的效率和速度。”

 

从长远意义上来说,Adams和他的同事希望能够更好地控制液态金属的形状—不仅限于使用一维毛细管道,甚至可以发展到二维表面以得到任何想要的天线形状。“这样,天线的电磁特性就有了很大范围的可调性,一根天线便可以实现多种功能,”他补充道。(美国物理联合会 张铮铮)

 

论文链接:

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/117/19/10.1063/1.4919605 

 

关于期刊

《应用物理杂志》是美国物理联合会(AIP)记载应用物理领域内重大实验和理论成果的具有国际影响力的杂志,详情参阅http://jap.aip.org