Nel riquadro in alto, schema del sistema di misura riportato nello studio, con il “thin-film bulk acoustic wave resonator” magnetoelettrico (ME FBAR), ovvero la nanoantenna, rappresentato dal cerchietto rosso. In basso, immagine dell’ME FBAR ottenuta con un microscopio elettronico a scansione. Fonte: Tianxiang Nan et al., Nature Communications, 2017
Sono antenne “Nems”, dall’acronimo inglese per “sistemi nanoelettromeccanici”, e promettono di abbattere uno fra i limiti che più condizionano i progettisti nel continuo processo di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici: il rapporto fra dimensione dell’antenna, appunto, e lunghezza d’onda del segnale che devono ricevere o trasmettere. Rapporto che, anche per le antenne più compatte, difficilmente può scendere al di sotto di un decimo. Affidandosi a un sistema di concezione completamente diversa, descritto oggi su Nature Communications e basato su membrane risonanti a specifiche frequenze acustiche, un team di ricercatori della Northeastern University di Boston, nel Massachusetts, è invece riuscito a sviluppare antenne con dimensioni indipendenti dalla lunghezza d’onda.
«La dimensione di queste antenne di nuova concezione sembra essere uno o due ordini di grandezza inferiore a quella delle attuali antenne compatte: ossia, queste antenne riescono a essere fino a cento volte più piccole!». Pur essendo un’esperta di beam e frequenze (era nel team che ha progettato le ottiche del telescopio spaziale Planck e attualmente sta lavorando alle ottiche di Lspe e iAlma), non nasconde il suo stupore Maura Sandri, tecnologa dell’Inaf di Bologna alla quale abbiamo chiesto un commento su queste antenne di nuova concezione. «Le antenne tradizionali sono strutture metalliche dimensionate per essere risonanti a una specifica lunghezza d’onda della radiazione, e ovviamente questo vincolo progettuale limita moltissimo la loro miniaturizzazione. La nuova antenna progettata e sviluppata dal gruppo di Nian Sun è una membrana risonante non a una lunghezza d’onda elettromagnetica specifica, bensì ad una frequenza acustica specifica. La membrana è composta da un film sottile di materiale magnetoelettrico che, vibrando, cambia le sue proprietà magnetiche, accoppiando la vibrazione acustica con la radiazione trasmessa o ricevuta. Gli autori hanno trovato che la frequenza acustica di risonanza della membrana può essere controllata dal disegno geometrico e hanno dimostrato il funzionamento di questa tecnologia con due diversi disegni che coprono le frequenze radio Uhf e Vhf».
Per comprendere le potenzialità di questa nuova tecnologia, proviamo per esempio a considerare comuni dispositivi wifi: funzionando a frequenze attorno ai 2.4 GHz, dunque con una lunghezza d’onda di circa 12-13 cm, richiedono antenne di qualche centimetro (un valore tipico è un quarto della lunghezza d’onda, dunque circa 3 cm). Può sembrare poco, se ciò che abbiamo in mente è un telefonino o un tablet, ma se volessimo progettare dispositivi ingeribili, per esempio, chip sottopelle o sciami di microdroni grandi come moscerini, ecco che poter disporre di antenne miniaturizzate diventerebbe cruciale.
E le dimensioni non sono l’unico asso nella manica dei nuovi dispositivi. «Le nuove antenne, oltre a essere molto più piccole, sembrano funzionare meglio di quelle tradizionali», spiega infatti Sandri, «e inoltre sono completamente passive: ossia non richiedono alcuna batteria. È chiaro che potenzialmente queste antenne potrebbero avere un grande impatto nel nostro futuro».
Ma in quali ambiti possiamo attenderci le prime applicazioni? «Anzitutto smartphone e sistemi di comunicazione wireless», prevede Sandri, «ma anche antenne impiantabili per applicazioni biomedicali, per esempio. E in tutto ciò che riguarda la progettazione e lo sviluppo di antenne e sistemi di comunicazione per la cosiddetta “internet delle cose”».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Communications l’articolo “Acoustically actuated ultra-compact NEMS magnetoelectric antennas“, di Tianxiang Nan, Hwaider Lin, Yuan Gao, Alexei Matyushov, Guoliang Yu, Huaihao Chen, Neville Sun, Shengjun Wei, Zhiguang Wang, Menghui Li, Xinjun Wang, Amine Belkessam, Rongdi Guo, Brian Chen, James Zhou, Zhenyun Qian, Yu Hui, Matteo Rinaldi, Michael E. McConney, Brandon M. Howe, Zhongqiang Hu, John G. Jones, Gail J. Brown e Nian Xiang Sun