استفاده از فلز مایع در ساخت آنتن های نسل جدید
توجه پژوهشگران از سال‌ها پیش به الکترونیک فلز مایع جلب شده است، اما نقطه ضعف مهم چنین دستگاه‌هایی نیاز آنها به پمپ‌های خارجی است که باعث می‌شود به راحتی نتوان با سیستم‌های الکترونیکی یکپارچه آنها را مجتمع‌سازی کرد.
به همین دلیل گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی اقدام به ایجاد یک آنتن فلز مایعی کردند که می‌توان آن را تنها با اعمال ولتاژ الکتریکی به طور مجدد تنظیم کرد . جزئیات این پروژه تحقیقاتی به تازگی در مجله اپلاید فیزیکس منتشر شده است.
پژوهشگران در ساخت این آنتن از پدیده جدیدی که در طی مطالعه فلز مایع توسط گروه استاد مایکل دیکی در دانشکده مهندسی شیمی و بیومولکولی مشاهده شده بود، الهام گرفتند. آنها دریافتند با اعمال یک پتانسیل الکتریکی در سراسر سطح مشترک بین فلز مایع و الکترولیت، می‌توان فلز مذاب را توسط ولتاژ مثبت منتشر و یا با اعمال ولتاژ منفی منقبض کرد.
شکل و طول مسیرهای هدایت که یک آنتن را تشکیل می‌دهند، تعیین کننده خواص مهم آنتن مانند فرکانس عامل و الگوی تابش هستند. جاکوب آدامز استادیار گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه کارولینای شمالی می‌گوید: «استفاده از یک فلز مایع، مانند گالیم و ایندیم یوتکتیک، که می‌تواند شکل خود را تغییر دهد، به ما اجازه می‌دهد خواص آنتن را بر خلاف زمانی که از یک هادی ثابت استفاده می‌شود تغییر دهیم. گالیوم،مایعی است که دمای ذوب آن بالاتر از دمای اتاق و حدود 29 درجه سانتی‌گراد است در حالی که ایندیم دارای دمای ذوب بسیار بالاتر و حدود 156 درجه سانتی‌گراد است. اما زمانی که این دو با یکدیگر ترکیب می‌شوند، آلیاژی را تشکیل می‌دهند که در دمای اتاق مایع است.»
یکی دیگر از جوانب این آلیاژ و مشخصه‌ای که پژوهشگران به دنبال استفاده از آن در آزمایش‌های خود بودند، کشش سطحی بی‌نهایت بالای آن در حدود 500 میلی‌نیوتن در متر بود. در نتیجه، زمانی که قطره‌ای از این آلیاژ روی یک سطح قرار می‌گیرد، تمایل دارد توپی تقریبا کروی را شکل دهد و در صورتی که در آن مداخله‌ای انجام نشود، شکلش را حفظ کند.
پژوهشگران از واکنش‌های الکتروشیمیایی جهت کوتاه و باریک کردن رشته‌ای از فلز مایع و تغییر فرکانس عامل آنتن استفاده کردند و به این ترتیبموفق شدند آنتن قابل تنظیمی ایجاد کنند که با ولتاژ کنترل می‌شود. اعمال ولتاژ مثبت کوچک باعث می‌شود فلز به داخل یک لوله مویین شارش کند، در حالی که با اعمال یک ولتاژ منفی کوچک فلز از داخل آن به بیرون رانده می‌شود.
آدامز می‌گوید: «ولتاژ مثبت به صورت الکتروشیمیایی لایه‌ای از اکسید را بر سطح فلز ایجاد می‌کند که باعث کاهش کشش سطحی می‌شود، در حالی که یک پتانسیل منفی با حذف اکسید باعث افزایش کشش سطحی می‌شود. این تفاوت‌ها در کشش سطحی تعیین کننده جهت جریان فلز هستند.»
آدامز در ادامه می‌گوید: «این پیشرفت امکان حذف یا بازسازی به اندازه کافی لایه اکسید توسط ولتاژ اعمال شده را فراهم می‌کند تا بتوان فلز مذاب را وادار کرد که به داخل یا خارج از لوله موئین جاری شود. ما به این قابلیت، 'موئینگی کنترل شده الکتروشیمیایی' می‌گوییم که بسیار شبیه به یک پمپ الکتروشیمیایی برای فلز مایع است.»
اگر چه ویژگی‌های آنتن را می توان تا حدی با استفاده از هادی‌های جامد به همراه سوئیچ الکترونیکی تغییر داد، اما روش فلز مذاب تا حد زیادی محدوده فرکانسی که آنتن می‌تواند تنظیم شود را افزایش می‌دهد. آدامز اشاره می‌کند: «نمونه اولیه این آنتن که از فلز مایع در آن استفاده کرده‌ایم می‌تواند در محدوده حداقل دو برابر بیشتر از سیستم دارای سوئیچ‌های الکترونیکی تنظیم شود.»
این آنتن جدید هزاران کاربرد بالقوه در قلمروی دستگاه‌های تلفن همراه می‌تواند داشته باشد. آدامز می‌گوید: «اندازه دستگاه‌های موبایل دائما در حال کوچک شدن و تقاضا برای سیستم‌های بی سیم کوچک در حال رشد روزافزون است. افزایش تعداد خدماتی که دستگاه باید قادر به ارائه باشد، باعث می‌شود که تعداد باندهای فرکانسی که آنتن در آنها باید کار کند نیز افزایش یابد. این ترکیب یک چالش برای طراحی آنتن واقعی سیستم‌های همراه به حساب می‌آید به دلیل اینکه اندازه آنتن و پهنای باند عامل در تضاد با یکدیگر هستند.»
به همین دلیل است که آنتن های قابل تنظیم بسیار مطلوب هستند؛ این آنتن ها را می توان بسیار کوچک ساخت. آدامز می‌گوید: « سیستم‌های فلزمایع محدوده تنظیم پذیری بیشتری از آنتن‌های معمولی را ایجاد می‌کنند، و همین رویکرد را می‌توان به اجزای دیگر مانند فیلتر‌های قابل تنظیم و کانال‌های میکرومایع یا ابزارهای نوری و فتونیکی نیز اعمال کرد.»
پژوهشگران در حال حاضر شروع به کاوش در مورد عناصر اساسی و کاربردی فلزات مایع قابل تنظیم برای ابداع‌های جدیدتر کرده‌اند. آدامز می‌گوید: «ما هنوز چیزهای زیادی درباره رفتار اکسیدهای سطحی و تاثیر آنها بر کشش سطحی فلز یاد نگرفته‌ایم و در حال بررسی روش‌هایی برای بهبود بیشتر کارایی و سرعت پیکربندی مجدد هستیم.»
آدامز و همکارانش امیدوارند در دراز مدت بتوانند کنترل بیشتری بر شکل فلز مایع به دست بیاورند و نه تنها در لوله موئینی یک بعدی، بلکه حتی در سطوح دو بعدی نیز کنترل بیشتری برای ایجاد هر شکل آنتن مورد نظر داشته باشند. آدامز اضافه می‌کند: «یک چنین قابلیت کنترل کردن، انعطاف پذیری زیادی در خواص الکترومغناطیسی آنتن ایجاد می‌کند و اجازه می دهد یک آنتن منفرد تطبیقی قابلیت انجام عملکردهای بسیاری پیدا کند.»
No tags for this post.
