správy

Takmer všetko, s čím sa v modernom svete stretávame, sa do určitej miery spolieha na elektroniku. Odkedy sme prvýkrát objavili, ako využívať elektrickú energiu na generovanie mechanickej práce, vytvorili sme veľké aj malé zariadenia, aby sme technicky zlepšili naše životy. Od elektrických svetiel po smartfóny, každé zariadenie ktorý vyvíjame, pozostáva len z niekoľkých jednoduchých komponentov spojených dohromady v rôznych konfiguráciách. V skutočnosti sa už viac ako storočie spoliehame na:
Naša moderná elektronická revolúcia sa opiera o tieto štyri typy komponentov a neskôr aj tranzistory, ktoré nám prinášajú takmer všetko, čo dnes používame. menej energie a vzájomné prepojenie našich zariadení, rýchlo narazíme na tieto klasické limity. Technológia. Začiatkom 21. storočia sa však spojilo päť vylepšení, ktoré začali transformovať náš moderný svet. Tu je návod, ako to celé prebiehalo.
1.) Vývoj grafénu. Zo všetkých materiálov nájdených v prírode alebo vytvorených v laboratóriu už diamant nie je najtvrdším materiálom. Existuje šesť tvrdších, z ktorých najtvrdší je grafén. V roku 2004 grafén, uhlíková vrstva s hrúbkou atómov uzamknutý spolu v šesťuholníkovom kryštálovom vzore bol náhodne izolovaný v laboratóriu. Len šesť rokov po tomto pokroku boli jeho objavitelia Andrei Heim a Kostya Novoselov ocenení Nobelovou cenou za fyziku. Nielenže je to najtvrdší materiál, aký bol kedy vyrobený, je neuveriteľne odolný voči fyzikálne, chemické a tepelné namáhanie, ale v skutočnosti je to dokonalá mriežka atómov.
Grafén má tiež fascinujúce vodivé vlastnosti, čo znamená, že ak by elektronické zariadenia vrátane tranzistorov mohli byť vyrobené z grafénu namiesto kremíka, mohli by byť potenciálne menšie a rýchlejšie ako čokoľvek, čo máme dnes. Ak sa grafén zmieša s plastom, môže sa premeniť na tepelne odolný, pevnejší materiál, ktorý tiež vedie elektrinu. Okrem toho je grafén asi 98 % transparentný pre svetlo, čo znamená, že je revolučný pre priehľadné dotykové obrazovky, panely vyžarujúce svetlo a dokonca aj solárne články. Ako uviedla Nobelova nadácia 11 rokov pred, "možno sme na pokraji ďalšej miniaturizácie elektroniky, ktorá povedie k tomu, že počítače budú v budúcnosti efektívnejšie."
2.) Rezistory pre povrchovú montáž. Toto je najstaršia „nová“ technológia a pravdepodobne ju pozná každý, kto pitval počítač alebo mobilný telefón. Rezistor pre povrchovú montáž je malý obdĺžnikový predmet, zvyčajne vyrobený z keramiky, s vodivými okrajmi na oboch Vývoj keramiky, ktorá odoláva toku prúdu bez rozptýlenia veľkého množstva energie alebo tepla, umožnil vytvoriť odpory, ktoré sú lepšie ako staršie tradičné odpory používané predtým: axiálne olovené odpory.
Tieto vlastnosti ho predurčujú na použitie v modernej elektronike, najmä v nízkoenergetických a mobilných zariadeniach. Ak potrebujete rezistor, môžete použiť jeden z týchto SMD (zariadenia na povrchovú montáž), aby ste zmenšili veľkosť, ktorú potrebujete pre rezistory, alebo zvýšili silu, ktorú na ne môžete použiť v rámci rovnakých obmedzení veľkosti.
3.) Superkondenzátory. Kondenzátory sú jednou z najstarších elektronických technológií. Sú založené na jednoduchom usporiadaní, pri ktorom sú dve vodivé plochy (doštičky, valce, guľové plášte atď.) od seba oddelené malou vzdialenosťou a povrchy sú schopné udržiavať rovnaké a opačné náboje. Keď sa pokúsite preniesť prúd cez kondenzátor, nabije sa a keď vypnete prúd alebo spojíte dve dosky, kondenzátor sa vybije. Kondenzátory majú širokú škálu aplikácií vrátane skladovania energie, a rýchly výbuch uvoľnenej energie a piezoelektrická elektronika, kde zmeny tlaku zariadenia generujú elektrické signály.
Samozrejme, výroba viacerých dosiek oddelených malými vzdialenosťami vo veľmi, veľmi malom meradle je nielen náročná, ale aj zásadne obmedzená. Nedávne pokroky v materiáloch – najmä titanát vápenato-meďnatý (CCTO) – dokážu uložiť veľké množstvo náboja v malých priestoroch: superkondenzátory. Tieto miniaturizované zariadenia možno pred opotrebovaním niekoľkokrát nabiť a vybiť; rýchlejšie nabíjanie a vybíjanie; a uchovávajú 100-krát viac energie na jednotku objemu ako staršie kondenzátory. Ide o technológiu, ktorá mení hru, pokiaľ ide o miniaturizáciu elektroniky.
4.) Superinduktory. Ako posledný z „veľkej trojky“ je superinduktor najnovším hráčom, ktorý vyšiel do roku 2018. Induktor je v podstate cievka s prúdom používaná s magnetizovateľným jadrom. pole, čo znamená, že ak sa pokúsite nechať cez neho pretekať prúd, chvíľu odoláva, potom nechá prúd voľne pretekať a nakoniec opäť odoláva zmenám, keď prúd vypnete. Spolu s odpormi a kondenzátormi sú to tri základné prvky všetkých obvodov. Ale opäť je tu limit toho, ako malé môžu byť.
Problém je v tom, že hodnota indukčnosti závisí od plochy povrchu induktora, čo je z hľadiska miniaturizácie zabijak snov. Ale okrem klasickej magnetickej indukčnosti existuje aj koncept indukčnosti kinetickej energie: zotrvačnosť častice prenášajúce prúd samotné bránia zmenám v ich pohybe. Rovnako ako mravce v rade musia medzi sebou „hovoriť“, aby zmenili svoju rýchlosť, tieto častice prenášajúce prúd musia, podobne ako elektróny, na seba vyvíjať silu, aby zrýchlili alebo spomaliť. Tento odpor voči zmenám vytvára pocit pohybu. Pod vedením Kaustav Banerjee's Nanoelectronics Research Laboratory bol teraz vyvinutý induktor kinetickej energie využívajúci technológiu grafénu: materiál s najvyššou hustotou indukčnosti, aký bol kedy zaznamenaný.
5.) Vložte grafén do akéhokoľvek zariadenia. Teraz urobme inventúru. Máme grafén. Máme „super“ verzie rezistorov, kondenzátorov a induktorov – miniaturizované, robustné, spoľahlivé a efektívne. Posledná prekážka v ultraminiaturizačnej revolúcii v elektronike , aspoň teoreticky, je schopnosť premeniť akékoľvek zariadenie (vyrobené z takmer akéhokoľvek materiálu) na elektronické zariadenie. Aby to bolo možné, všetko, čo potrebujeme, je schopnosť vložiť elektroniku na báze grafénu do akéhokoľvek typu materiálu, ktorý chceme, vrátane flexibilných materiálov. Skutočnosť, že grafén má dobrú tekutosť, pružnosť, pevnosť a vodivosť, pričom je pre človeka neškodný, ho robí ideálnym na tento účel.
V posledných rokoch boli grafénové a grafénové zariadenia vyrábané spôsobom, ktorý bol dosiahnutý iba niekoľkými procesmi, ktoré sú samy o sebe dosť prísne. Môžete oxidovať obyčajný starý grafit, rozpustiť ho vo vode a vyrobiť grafén chemickými parami. nanášanie.Existuje však len niekoľko substrátov, na ktoré je možné grafén nanášať týmto spôsobom.Oxid grafénu môžete chemicky redukovať, no ak tak urobíte, skončíte s nekvalitným grafénom.Grafén môžete vyrobiť aj mechanickou exfoliáciou , ale to vám neumožňuje kontrolovať veľkosť alebo hrúbku grafénu, ktorý vyrábate.
Tu prichádza pokrok v laserom gravírovanom graféne. Existujú dva hlavné spôsoby, ako to dosiahnuť. Jedným z nich je začať s oxidom grafénu. Rovnako ako predtým: vezmete grafit a oxidujete ho, ale namiesto toho, aby ste ho chemicky redukovali, redukujete ho. s laserom. Na rozdiel od chemicky redukovaného oxidu grafénu ide o vysokokvalitný produkt, ktorý možno použiť okrem iného v superkondenzátoroch, elektronických obvodoch a pamäťových kartách.
Môžete tiež použiť polyimid, vysokoteplotný plast a grafén vzorovať priamo pomocou lasera. Laser prerušuje chemické väzby v polyimidovej sieti a atómy uhlíka sa tepelne reorganizujú, aby vytvorili tenké, vysokokvalitné grafénové listy. Polyimid ukázal veľa potenciálnych aplikácií, pretože ak naň môžete vyryť grafénové obvody, môžete v podstate premeniť akýkoľvek tvar polyimidu na nositeľnú elektroniku. Medzi ne patria:
Ale možno najvzrušujúcejšie – vzhľadom na objavenie sa, vzostup a všadeprítomnosť nových objavov laserom gravírovaného grafénu – je na horizonte toho, čo je v súčasnosti možné. Pomocou laserom gravírovaného grafénu môžete získavať a ukladať energiu: zariadenie na kontrolu energie .Jedným z najkřiklavejších príkladov toho, že technológia nedokáže napredovať, sú batérie.V súčasnosti takmer používame chémiu suchých článkov na skladovanie elektrickej energie, čo je stáročia stará technológia.Prototypy nových úložných zariadení, ako sú zinkovo-vzduchové batérie a polovodičové batérie boli vytvorené flexibilné elektrochemické kondenzátory.
S laserom gravírovaným grafénom môžeme nielen zmeniť spôsob, akým uchovávame energiu, ale môžeme tiež vytvoriť nositeľné zariadenia, ktoré premieňajú mechanickú energiu na elektrinu: triboelektrické nanogenerátory. Dokážeme vytvoriť pozoruhodnú organickú fotovoltaiku, ktorá má potenciál spôsobiť revolúciu v slnečnej energii. mohli by tiež vyrábať flexibilné biopalivové články; možnosti sú obrovské. Na hraniciach zberu a skladovania energie sú revolúcie len krátkodobé.
Okrem toho by mal laserom gravírovaný grafén začať éru bezprecedentných senzorov. To zahŕňa fyzické senzory, pretože fyzikálne zmeny (ako je teplota alebo napätie) spôsobujú zmeny elektrických vlastností, ako je odpor a impedancia (ktoré zahŕňajú aj príspevky kapacity a indukčnosti). ).Zahŕňa tiež zariadenia, ktoré zisťujú zmeny vlastností plynu a vlhkosti a – keď sa aplikujú na ľudské telo – fyzické zmeny v životných funkciách niekoho. Napríklad myšlienka trikordéra inšpirovaného Star Trekom by mohla rýchlo zastarať. jednoduchým pripojením náplasti na monitorovanie vitálnych funkcií, ktorá nás okamžite upozorní na akékoľvek znepokojujúce zmeny v našom tele.
Tento spôsob myslenia by tiež mohol otvoriť úplne nové pole: biosenzory založené na technológii laserom gravírovaného grafénu. Umelé hrdlo založené na laserom gravírovanom graféne by mohlo pomôcť monitorovať vibrácie hrdla, identifikovať rozdiely v signáloch medzi kašľom, bzučaním, krikom, prehĺtaním a prikyvovaním. pohyby. Laserom gravírovaný grafén má tiež veľký potenciál, ak chcete vytvoriť umelý bioreceptor, ktorý dokáže zacieliť na špecifické molekuly, navrhnúť rôzne nositeľné biosenzory alebo dokonca pomôcť umožniť rôzne telemedicínske aplikácie.
Až v roku 2004 bola prvýkrát vyvinutá metóda výroby grafénových dosiek, prinajmenšom zámerne. Za 17 rokov odvtedy séria paralelných pokrokov konečne priniesla do popredia možnosť revolúcie v spôsobe, akým ľudia interagujú s elektronikou. V porovnaní so všetkými existujúcimi metódami výroby a výroby zariadení na báze grafénu umožňuje laserom gravírovaný grafén jednoduché, masovo vyrábané, vysokokvalitné a lacné grafénové vzory v rôznych aplikáciách vrátane zmeny elektroniky pokožky.
V blízkej budúcnosti je rozumné očakávať pokroky v energetickom sektore, vrátane kontroly energie, získavania energie a skladovania energie. V blízkej budúcnosti sú tiež pokroky v senzoroch vrátane fyzických senzorov, plynových senzorov a dokonca aj biosenzorov. revolúcia pravdepodobne príde z nositeľných zariadení, vrátane zariadení pre diagnostické telemedicínske aplikácie. Iste, zostáva veľa výziev a prekážok. Tieto prekážky si však vyžadujú skôr postupné ako revolučné vylepšenia. Keďže pripojené zariadenia a internet vecí neustále rastú, potreba ultra-malá elektronika je lepšia ako kedykoľvek predtým. Vďaka najnovším pokrokom v technológii grafénu je budúcnosť už tu v mnohých smeroch.