nyheter

Nesten alt vi møter i den moderne verden er til en viss grad avhengig av elektronikk. Siden vi først oppdaget hvordan vi kan bruke elektrisitet til å generere mekanisk arbeid, har vi laget store og små enheter for å teknisk forbedre livene våre. Fra elektriske lys til smarttelefoner, alle enheter vi utvikler består av bare noen få enkle komponenter sydd sammen i forskjellige konfigurasjoner. Faktisk har vi i over et århundre stolt på:
Vår moderne elektronikkrevolusjon er avhengig av disse fire typer komponenter, pluss – senere – transistorer, for å gi oss nesten alt vi bruker i dag. Når vi raser for å miniatyrisere elektroniske enheter, overvåke flere og flere aspekter av livene våre og virkeligheten, overføre mer data med mindre strøm og kobler enhetene våre til hverandre, kommer vi raskt over disse klassiske grensene. Teknologi. Men på begynnelsen av 2000-tallet kom fem fremskritt alle sammen, og de har begynt å transformere vår moderne verden. Slik gikk det.
1.) Utvikling av grafen. Av alle materialene som finnes i naturen eller laget i laboratoriet, er diamant ikke lenger det hardeste materialet. Det er seks hardere, det vanskeligste er grafen. I 2004, grafen, et atomtykt ark av karbon låst sammen i et sekskantet krystallmønster, ble ved et uhell isolert i laboratoriet. Bare seks år etter dette fremskrittet ble oppdagerne Andrei Heim og Kostya Novoselov tildelt Nobelprisen i fysikk. Ikke bare er det det hardeste materialet som noen gang er laget, det er utrolig motstandsdyktig mot fysisk, kjemisk og termisk stress, men det er faktisk et perfekt gitter av atomer.
Grafen har også fascinerende ledende egenskaper, noe som betyr at hvis elektroniske enheter, inkludert transistorer, kunne lages av grafen i stedet for silisium, kan de potensielt være mindre og raskere enn noe vi har i dag. Hvis grafen blandes inn i plast, kan det bli omgjort til et varmebestandig, sterkere materiale som også leder elektrisitet. I tillegg er grafen omtrent 98 % gjennomsiktig for lys, noe som betyr at den er revolusjonerende for gjennomsiktige berøringsskjermer, lysemitterende paneler og til og med solceller. Som Nobelstiftelsen sa det 11 år siden, "kanskje vi er på randen av nok en miniatyrisering av elektronikk som vil føre til at datamaskiner blir mer effektive i fremtiden."
2.) Overflatemonterte motstander. Dette er den eldste "nye" teknologien og er sannsynligvis kjent for alle som har dissekert en datamaskin eller mobiltelefon. En overflatemontert motstand er en liten rektangulær gjenstand, vanligvis laget av keramikk, med ledende kanter på begge ends.Utviklingen av keramikk, som motstår strømmen uten å spre mye kraft eller varme, har gjort det mulig å lage motstander som er overlegne de eldre tradisjonelle motstandene som ble brukt før: aksiale blymotstander.
Disse egenskapene gjør den ideell for bruk i moderne elektronikk, spesielt laveffekts- og mobile enheter. Hvis du trenger en motstand, kan du bruke en av disse SMD-ene (overflatemonterte enheter) for å redusere størrelsen du trenger for motstandene, eller for å øke kraften du kan bruke på dem innenfor samme størrelsesbegrensninger.
3.) Superkondensatorer.Kondensatorer er en av de eldste elektroniske teknologiene.De er basert på et enkelt oppsett der to ledende overflater (plater, sylindre, sfæriske skall osv.) er atskilt fra hverandre med en liten avstand, og de to overflater er i stand til å opprettholde like og motsatte ladninger.Når du prøver å føre strøm gjennom kondensatoren lades den og når du slår av strømmen eller kobler til de to platene, utlades kondensatoren.Kondensatorer har et bredt spekter av bruksområder, inkludert energilagring, en rask utbrudd av frigjort energi, og piezoelektrisk elektronikk, der endringer i enhetstrykk genererer elektriske signaler.
Å lage flere plater atskilt med små avstander i en veldig liten skala er selvfølgelig ikke bare utfordrende, men fundamentalt begrenset. Nylige fremskritt innen materialer – spesielt kalsiumkobbertitanat (CCTO) – kan lagre store mengder ladning i bittesmå rom: superkondensatorer. Disse miniatyriserte enhetene kan lades og utlades flere ganger før de slites ut; lade og utlade raskere; og lagre 100 ganger energien per volumenhet av eldre kondensatorer. De er en teknologi som forandrer spillet når det gjelder miniatyrisering av elektronikk.
4.) Superinduktorer. Som den siste av de "tre store" er superinduktoren den siste spilleren som har kommet ut til 2018. En induktor er i utgangspunktet en spole med en strøm som brukes med en magnetiserbar kjerne. Induktorer motsetter seg endringer i deres interne magnetiske feltet, som betyr at hvis du prøver å la strøm flyte gjennom det, vil det motstå en stund, deretter lar strømmen flyte fritt gjennom det, og til slutt motstår endringer igjen når du slår av strømmen. Sammen med motstander og kondensatorer er de tre grunnleggende elementer i alle kretser. Men igjen, det er en grense for hvor små de kan bli.
Problemet er at induktansverdien avhenger av overflatearealet til induktoren, som er en drømmedreper når det gjelder miniatyrisering. Men i tillegg til den klassiske magnetiske induktansen, er det også konseptet med kinetisk energiinduktans: tregheten til de strømførende partiklene i seg selv forhindrer endringer i deres bevegelse. Akkurat som maur i en linje må "snakke" med hverandre for å endre hastigheten, må disse strømførende partiklene, som elektroner, utøve en kraft på hverandre for å øke hastigheten eller bremse ned.Denne motstanden mot endring skaper en følelse av bevegelse.Under ledelse av Kaustav Banerjees Nanoelectronics Research Laboratory er det nå utviklet en kinetisk energiinduktor som bruker grafenteknologi: det høyeste induktanstetthetsmaterialet som noen gang er registrert.
5.) Sett grafen i hvilken som helst enhet. La oss nå gjøre status. Vi har grafen. Vi har "super" versjoner av motstander, kondensatorer og induktorer - miniatyriserte, robuste, pålitelige og effektive. Det siste hinderet i ultraminiatyriseringsrevolusjonen innen elektronikk , i det minste i teorien, er evnen til å gjøre en hvilken som helst enhet (laget av nesten hvilket som helst materiale) til en elektronisk enhet. For å gjøre dette mulig trenger vi bare evnen til å bygge inn grafenbasert elektronikk i hvilken som helst type materiale vi ønsker, inkludert fleksible materialer. Det faktum at grafen har god flyt, fleksibilitet, styrke og ledningsevne, samtidig som det er ufarlig for mennesker, gjør det ideelt for dette formålet.
I løpet av de siste årene har grafen- og grafenenheter blitt fremstilt på en måte som bare har blitt oppnådd gjennom en håndfull prosesser som i seg selv er ganske strenge. Du kan oksidere vanlig gammel grafitt, løse den opp i vann og lage grafen med kjemisk damp avsetning. Det er imidlertid bare noen få underlag som grafen kan avsettes på på denne måten. Du kan redusere grafenoksid kjemisk, men hvis du gjør det, vil du ende opp med grafen av dårlig kvalitet. Du kan også produsere grafen ved mekanisk peeling , men dette lar deg ikke kontrollere størrelsen eller tykkelsen på grafenet du produserer.
Det er her fremskritt innen lasergravert grafen kommer inn. Det er to hovedmåter å oppnå dette på. Den ene er å starte med grafenoksid. Samme som før: du tar grafitt og oksiderer det, men i stedet for å redusere det kjemisk, reduserer du det med laser.I motsetning til kjemisk redusert grafenoksid er det et høykvalitetsprodukt som blant annet kan brukes i superkondensatorer, elektroniske kretser og minnekort.
Du kan også bruke polyimid, en høytemperaturplast, og mønstergrafen direkte med en laser. Laseren bryter kjemiske bindinger i polyimidnettverket, og karbonatomene omorganiserer seg selv termisk for å danne tynne grafenark av høy kvalitet. Polyimid har vist seg massevis av potensielle bruksområder, for hvis du kan gravere grafenkretser på den, kan du i utgangspunktet gjøre enhver form av polyimid om til bærbar elektronikk. Disse, for å nevne noen, inkluderer:
Men kanskje det mest spennende – gitt fremveksten, fremveksten og allestedsnærværende av nye oppdagelser av lasergravert grafen – er ved horisonten av det som er mulig for øyeblikket. Med lasergravert grafen kan du høste og lagre energi: en energikontrollerende enhet .Et av de mest forferdelige eksemplene på teknologi som ikke går videre, er batterier. I dag bruker vi nesten tørre cellekjemi til å lagre elektrisk energi, en flere hundre år gammel teknologi. Prototyper av nye lagringsenheter, som sink-luft-batterier og solid-state fleksible elektrokjemiske kondensatorer, er laget.
Med lasergravert grafen kan vi ikke bare revolusjonere måten vi lagrer energi på, men vi kan også lage bærbare enheter som konverterer mekanisk energi til elektrisitet: triboelektriske nanogeneratorer. Vi kan lage bemerkelsesverdige organiske solceller som har potensial til å revolusjonere solenergi. kunne også lage fleksible biodrivstoffceller; mulighetene er enorme. På grensene for å samle og lagre energi, er revolusjoner alle på kort sikt.
Videre bør lasergravert grafen innlede en epoke med enestående sensorer. Dette inkluderer fysiske sensorer, ettersom fysiske endringer (som temperatur eller belastning) forårsaker endringer i elektriske egenskaper som motstand og impedans (som også inkluderer bidrag fra kapasitans og induktans) ).Det inkluderer også enheter som oppdager endringer i gassegenskaper og fuktighet, og – når den brukes på menneskekroppen – fysiske endringer i noens vitale funksjoner. For eksempel kan ideen om en Star Trek-inspirert tricorder raskt bli foreldet av ganske enkelt ved å feste et plaster for overvåking av vitale tegn som umiddelbart varsler oss om eventuelle bekymringsfulle endringer i kroppen vår.
Denne tankegangen kan også åpne opp et helt nytt felt: biosensorer basert på lasergravert grafenteknologi. En kunstig hals basert på lasergravert grafen kan hjelpe til med å overvåke halsvibrasjoner, identifisere signalforskjeller mellom hosting, summing, skriking, svelging og nikk bevegelser. Lasergravert grafen har også et stort potensial hvis du ønsker å lage en kunstig bioreseptor som kan målrette mot spesifikke molekyler, designe ulike bærbare biosensorer, eller til og med bidra til å aktivere ulike telemedisinske applikasjoner.
Det var ikke før i 2004 at en metode for å produsere grafenark, i det minste med vilje, ble utviklet for første gang. I løpet av de 17 årene siden har en serie parallelle fremskritt endelig brakt frem muligheten for å revolusjonere måten mennesker samhandler med elektronikk på. Sammenlignet med alle eksisterende metoder for å produsere og fremstille grafenbaserte enheter, muliggjør lasergravert grafen enkle, masseproduserbare, høykvalitets og rimelige grafenmønstre i en rekke bruksområder, inkludert hudelektronikk.
I nær fremtid er det rimelig å forvente fremskritt i energisektoren, inkludert energikontroll, energihøsting og energilagring. På kort sikt er det også fremskritt innen sensorer, inkludert fysiske sensorer, gasssensorer og til og med biosensorer. revolusjonen kommer sannsynligvis fra wearables, inkludert enheter for diagnostiske telemedisinske applikasjoner. Det er sikkert mange utfordringer og hindringer som gjenstår. Men disse hindringene krever inkrementelle snarere enn revolusjonerende forbedringer. Ettersom tilkoblede enheter og tingenes internett fortsetter å vokse, er behovet for ultraliten elektronikk er større enn noensinne. Med de siste fremskrittene innen grafenteknologi er fremtiden allerede her på mange måter.