știri

Aproape tot ceea ce întâlnim în lumea modernă se bazează într-o oarecare măsură pe electronică. De când am descoperit prima dată cum să folosim electricitatea pentru a genera lucru mecanic, am creat dispozitive mari și mici pentru a ne îmbunătăți din punct de vedere tehnic viața. De la lumini electrice la smartphone-uri, fiecare dispozitiv dezvoltăm constă doar din câteva componente simple, cusute împreună în diverse configurații. De fapt, de peste un secol, ne-am bazat pe:
Revoluția noastră electronică modernă se bazează pe aceste patru tipuri de componente, plus – mai târziu – tranzistori, pentru a ne aduce aproape tot ceea ce folosim astăzi. Pe măsură ce ne cursăm să miniaturizăm dispozitivele electronice, să monitorizăm tot mai multe aspecte ale vieții și realității noastre, transmitem mai multe date cu mai puțină putere și conectați dispozitivele între ele, întâlnim rapid aceste limite clasice. Tehnologie. Dar, la începutul anilor 2000, cinci progrese s-au reunit și au început să transforme lumea noastră modernă. Iată cum a mers totul.
1.) Dezvoltarea grafenului. Dintre toate materialele găsite în natură sau create în laborator, diamantul nu mai este cel mai dur material. Există șase mai greu, cel mai dur fiind grafenul. În 2004, grafenul, o foaie de carbon grosă ca un atom blocate împreună într-un model de cristal hexagonal, a fost izolat accidental în laborator. La doar șase ani după acest avans, descoperitorii săi Andrei Heim și Kostya Novoselov au primit premiul Nobel pentru fizică. Nu numai că este cel mai dur material realizat vreodată, și incredibil de rezistent la stres fizic, chimic și termic, dar este de fapt o rețea perfectă de atomi.
Grafenul are, de asemenea, proprietăți conductoare fascinante, ceea ce înseamnă că, dacă dispozitivele electronice, inclusiv tranzistoarele, ar putea fi fabricate din grafen în loc de siliciu, ele ar putea fi mai mici și mai rapide decât orice avem astăzi. Dacă grafenul este amestecat în plastic, acesta poate fi transformat în un material rezistent la căldură, mai puternic, care conduce și electricitatea. În plus, grafenul este aproximativ 98% transparent la lumină, ceea ce înseamnă că este revoluționar pentru ecrane tactile transparente, panouri care emit lumină și chiar celule solare. După cum a spus Fundația Nobel, 11 ani în urmă, „poate că suntem în pragul unei alte miniaturizări a electronicii, care va duce la computerele să devină mai eficiente în viitor”.
2.) Rezistoare de montare la suprafață. Aceasta este cea mai veche tehnologie „nouă” și este probabil familiară oricui a disecat un computer sau un telefon mobil. Un rezistor de montare la suprafață este un obiect dreptunghiular minuscul, de obicei realizat din ceramică, cu margini conductoare pe ambele se termină.Dezvoltarea ceramicii, care rezistă la fluxul de curent fără a disipa multă putere sau căldură, a făcut posibilă crearea unor rezistențe superioare rezistențelor tradiționale mai vechi folosite anterior: rezistențe axiale cu plumb.
Aceste proprietăți îl fac ideal pentru utilizarea în electronica modernă, în special în dispozitive mobile și de putere redusă. Dacă aveți nevoie de un rezistor, puteți utiliza unul dintre aceste dispozitive SMD (dispozitive de montare la suprafață) pentru a reduce dimensiunea de care aveți nevoie pentru rezistențe sau pentru a crește puterea pe care o puteți aplica acestora în aceleași constrângeri de dimensiune.
3.) Supercondensatoare. Condensatorii sunt una dintre cele mai vechi tehnologii electronice. Se bazează pe o configurație simplă în care două suprafețe conductoare (plăci, cilindri, carcase sferice etc.) sunt separate una de cealaltă la o distanță mică, iar cele două suprafețele sunt capabile să mențină sarcini egale și opuse. Când încercați să treceți curent prin condensator se încarcă și când opriți curentul sau conectați cele două plăci condensatorul se descarcă. Condensatorii au o gamă largă de aplicații, inclusiv stocarea energiei, o explozia rapidă a energiei eliberate și electronica piezoelectrică, unde modificările presiunii dispozitivului generează semnale electrice.
Desigur, realizarea de plăci multiple separate de distanțe mici la o scară foarte, foarte mică nu este doar o provocare, ci și în mod fundamental limitată. Progresele recente în materiale - în special titanatul de cupru de calciu (CCTO) - pot stoca cantități mari de sarcină în spații mici: supercondensatori. Aceste dispozitive miniaturizate pot fi încărcate și descărcate de mai multe ori înainte de a se uza;încărcați și descărcați mai rapid;și stochează de 100 de ori energia pe unitate de volum a condensatoarelor mai vechi. Sunt o tehnologie care schimbă jocul când vine vorba de miniaturizarea electronicelor.
4.) Superinductori. Ca ultimul dintre „Trei Mari”, superinductorul este cel mai recent jucător care a apărut până în 2018. Un inductor este practic o bobină cu un curent folosit cu un miez magnetizabil. Inductorii se opun modificărilor magnetice interne. câmp, ceea ce înseamnă că dacă încercați să lăsați curentul să curgă prin el, acesta rezistă o perioadă, apoi permite curentului să curgă liber prin el și, în cele din urmă, rezistă din nou la schimbări atunci când opriți curentul. Împreună cu rezistențele și condensatorii, acestea sunt trei elemente de bază ale tuturor circuitelor. Dar din nou, există o limită la cât de mici pot deveni.
Problema este că valoarea inductanței depinde de suprafața inductorului, care este un ucigaș de vis în ceea ce privește miniaturizarea. Dar, pe lângă inductanța magnetică clasică, există și conceptul de inductanță a energiei cinetice: inerția de particulele purtătoare de curent în sine împiedică schimbările în mișcarea lor. La fel cum furnicile dintr-o linie trebuie să „vorbească” între ele pentru a-și schimba viteza, aceste particule purtătoare de curent, precum electronii, trebuie să exercite o forță una asupra celeilalte pentru a accelera. sau încetinește. Această rezistență la schimbare creează un sentiment de mișcare. Sub conducerea Laboratorului de Cercetare în Nanoelectronică al lui Kaustav Banerjee, a fost dezvoltat acum un inductor de energie cinetică care utilizează tehnologia grafenului: cel mai mare material cu densitate de inductanță înregistrată vreodată.
5.) Pune grafen în orice dispozitiv. Acum să facem un bilanț. Avem grafen. Avem versiuni „super” de rezistențe, condensatoare și inductori – miniaturizate, robuste, fiabile și eficiente. Ultimul obstacol în revoluția ultra-miniaturizării în electronică , cel puțin în teorie, este capacitatea de a transforma orice dispozitiv (facut din aproape orice material) într-un dispozitiv electronic. Pentru a face acest lucru posibil, tot ce avem nevoie este capacitatea de a încorpora electronice pe bază de grafen în orice tip de material dorim, inclusiv materiale flexibile. Faptul că grafenul are o fluiditate bună, flexibilitate, rezistență și conductivitate, deși este inofensiv pentru oameni, îl face ideal în acest scop.
În ultimii câțiva ani, dispozitivele cu grafen și grafen au fost fabricate într-un mod care a fost realizat doar printr-o mână de procese care sunt ele însele destul de riguroase. Puteți oxida grafitul simplu vechi, îl puteți dizolva în apă și puteți face grafenul prin vapori chimici. depunere. Cu toate acestea, există doar câteva substraturi pe care grafenul poate fi depus în acest fel. Puteți reduce chimic oxidul de grafen, dar dacă o faceți, veți ajunge cu grafen de proastă calitate. Puteți produce grafen și prin exfoliere mecanică. , dar acest lucru nu vă permite să controlați dimensiunea sau grosimea grafenului pe care îl produceți.
Aici intervin progresele în materie de grafen gravat cu laser. Există două moduri principale de a realiza acest lucru. Una este să începeți cu oxidul de grafen. La fel ca înainte: luați grafit și îl oxidați, dar în loc să îl reduceți chimic, îl reduceți. cu un laser. Spre deosebire de oxidul de grafen redus chimic, acesta este un produs de înaltă calitate care poate fi utilizat în supercondensatori, circuite electronice și carduri de memorie, printre altele.
De asemenea, puteți utiliza poliimidă, un plastic de înaltă temperatură și grafen model direct cu un laser. Laserul rupe legăturile chimice din rețeaua de poliimidă, iar atomii de carbon se reorganizează termic pentru a forma foi de grafen subțiri, de înaltă calitate. Poliimida a demonstrat o mulțime de aplicații potențiale, pentru că, dacă poți grava circuite cu grafen pe el, poți, practic, transforma orice formă de poliimidă în electronice portabile. Acestea, pentru a numi câteva, includ:
Dar poate cel mai interesant - având în vedere apariția, ascensiunea și omniprezența noilor descoperiri ale grafenului gravat cu laser - se află la orizontul a ceea ce este posibil în prezent. Cu grafenul gravat cu laser, puteți recolta și stoca energie: un dispozitiv de control al energiei .Unul dintre cele mai flagrante exemple de eșec al tehnologiei este bateriile. Astăzi, aproape că folosim chimie cu celule uscate pentru a stoca energia electrică, o tehnologie veche de secole. au fost create condensatoare electrochimice flexibile.
Cu grafenul gravat cu laser, nu numai că putem revoluționa modul în care stocăm energia, dar putem și crea dispozitive portabile care convertesc energia mecanică în electricitate: nanogeneratoare triboelectrice. Putem crea remarcabile fotovoltaice organice care au potențialul de a revoluționa energia solară. ar putea face, de asemenea, celule de biocombustibil flexibile;posibilitățile sunt uriașe. La frontierele colectării și stocării energiei, revoluțiile sunt toate pe termen scurt.
În plus, grafenul gravat cu laser ar trebui să introducă o eră a senzorilor fără precedent. Aceasta include senzorii fizici, deoarece modificările fizice (cum ar fi temperatura sau tensiunea) provoacă modificări ale proprietăților electrice, cum ar fi rezistența și impedanța (care includ și contribuțiile capacității și inductanței). ). Include, de asemenea, dispozitive care detectează modificări ale proprietăților gazului și umidității și, atunci când sunt aplicate corpului uman, modificări fizice ale semnelor vitale ale cuiva. De exemplu, ideea unui tricorder inspirat de Star Trek ar putea deveni rapid învechită prin pur și simplu atașând un plasture de monitorizare a semnelor vitale care ne avertizează instantaneu cu privire la orice schimbări îngrijorătoare în corpul nostru.
Această linie de gândire ar putea deschide, de asemenea, un domeniu cu totul nou: biosenzorii bazați pe tehnologia grafenului gravat cu laser. Un gât artificial bazat pe grafen gravat cu laser ar putea ajuta la monitorizarea vibrațiilor gâtului, identificând diferențele de semnal între tuse, bâzâit, țipete, înghițire și înclinare din cap. mișcări.Grafenul gravat cu laser are, de asemenea, un potențial mare dacă doriți să creați un bioreceptor artificial care poate viza anumite molecule, poate proiecta diferiți biosenzori portabili sau chiar ajuta la activarea diverselor aplicații de telemedicină.
Abia în 2004, a fost dezvoltată pentru prima dată o metodă de producere a foilor de grafen, cel puțin intenționat. În cei 17 ani de atunci, o serie de progrese paralele au adus în sfârșit în prim-plan posibilitatea de a revoluționa modul în care oamenii interacționează cu electronicele. În comparație cu toate metodele existente de producere și fabricare a dispozitivelor pe bază de grafen, grafenul gravat cu laser permite modele de grafen simple, producibile în masă, de înaltă calitate și ieftine într-o varietate de aplicații, inclusiv schimbarea electronică a pielii.
În viitorul apropiat, este rezonabil să ne așteptăm la progrese în sectorul energetic, inclusiv controlul energiei, colectarea energiei și stocarea energiei. De asemenea, pe termen scurt sunt progrese în senzori, inclusiv senzori fizici, senzori de gaz și chiar biosenzori. Cel mai mare Este posibil ca revoluția să vină din materialele portabile, inclusiv dispozitivele pentru aplicații de telemedicină de diagnosticare. Desigur, rămân multe provocări și obstacole. Dar aceste obstacole necesită îmbunătățiri incrementale mai degrabă decât revoluționare. Pe măsură ce dispozitivele conectate și Internetul obiectelor continuă să crească, nevoia de electronica ultra-mică este mai mare decât oricând. Cu cele mai recente progrese în tehnologia grafenului, viitorul este deja aici în multe feluri.