aktualności

Prawie wszystko, co spotykamy we współczesnym świecie, w pewnym stopniu opiera się na elektronice. Odkąd po raz pierwszy odkryliśmy, jak wykorzystywać energię elektryczną do wytwarzania pracy mechanicznej, stworzyliśmy duże i małe urządzenia, aby technicznie poprawić nasze życie. Od lamp elektrycznych po smartfony – każde urządzenie który opracowujemy, składa się z zaledwie kilku prostych elementów zszytych ze sobą w różnych konfiguracjach. Tak naprawdę od ponad wieku polegamy na:
Nasza nowoczesna rewolucja elektroniczna opiera się na tych czterech typach komponentów oraz – później – na tranzystorach, co daje nam prawie wszystko, czego dzisiaj używamy. W miarę miniaturyzacji urządzeń elektronicznych, monitorowania coraz większej liczby aspektów naszego życia i rzeczywistości, przesyłania większej ilości danych za pomocą zużywając mniej energii i łącząc ze sobą nasze urządzenia, szybko napotykamy te klasyczne ograniczenia.Technologia.Ale na początku XXI wieku połączyło się pięć osiągnięć, które zaczęły przekształcać nasz współczesny świat.Oto, jak to wszystko poszło.
1.) Rozwój grafenu. Ze wszystkich materiałów występujących w naturze lub wytworzonych w laboratorium diament nie jest już najtwardszym materiałem. Jest sześć twardszych, z których najtwardszy jest grafen. W 2004 r. grafen, warstwa węgla o grubości atomu połączony razem w sześciokątny wzór kryształu, został przypadkowo wyizolowany w laboratorium. Zaledwie sześć lat po tym postępie jego odkrywcy Andriej Heim i Kostya Nowoselow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Jest to nie tylko najtwardszy materiał, jaki kiedykolwiek wyprodukowano, ale także niezwykle odporny na stres fizyczny, chemiczny i termiczny, ale w rzeczywistości jest to doskonała sieć atomów.
Grafen ma również fascynujące właściwości przewodzące, co oznacza, że ​​gdyby urządzenia elektroniczne, w tym tranzystory, mogły być wykonane z grafenu zamiast z krzemu, mogłyby być potencjalnie mniejsze i szybsze niż wszystko, co mamy obecnie. Jeśli grafen zostanie zmieszany z plastikiem, można go przekształcić żaroodporny, mocniejszy materiał, który również przewodzi prąd. Ponadto grafen jest w około 98% przezroczysty dla światła, co oznacza, że ​​jest rewolucyjny w przypadku przezroczystych ekranów dotykowych, paneli emitujących światło, a nawet ogniw słonecznych. Jak ujęła to Fundacja Nobla 11 lat temu „być może stoimy u progu kolejnej miniaturyzacji elektroniki, która w przyszłości doprowadzi do zwiększenia wydajności komputerów”.
2.) Rezystory do montażu powierzchniowego. Jest to najstarsza „nowa” technologia i jest prawdopodobnie znana każdemu, kto analizował komputer lub telefon komórkowy. Rezystor do montażu powierzchniowego to mały prostokątny przedmiot, zwykle wykonany z ceramiki, z przewodzącymi krawędziami po obu stronach kończy się. Rozwój ceramiki, która stawia opór przepływowi prądu bez rozpraszania dużej ilości mocy i ciepła, umożliwił stworzenie rezystorów, które są lepsze od starszych, tradycyjnych rezystorów stosowanych wcześniej: osiowych rezystorów prowadzących.
Te właściwości sprawiają, że idealnie nadaje się do stosowania w nowoczesnej elektronice, zwłaszcza w urządzeniach małej mocy i urządzeniach mobilnych. Jeśli potrzebujesz rezystora, możesz użyć jednego z tych SMD (urządzeń do montażu powierzchniowego), aby zmniejszyć rozmiar potrzebny dla rezystorów lub zwiększyć moc, jaką możesz im zastosować w ramach tych samych ograniczeń rozmiaru.
3.) Superkondensatory. Kondensatory to jedna z najstarszych technologii elektronicznych. Opierają się na prostym układzie, w którym dwie powierzchnie przewodzące (płytki, cylindry, powłoki kuliste itp.) są oddzielone od siebie niewielką odległością, a dwie powierzchnie są w stanie utrzymać równe i przeciwne ładunki. Kiedy próbujesz przepuścić prąd przez kondensator, ładuje się, a kiedy wyłączasz prąd lub łączysz dwie płytki, kondensator się rozładowuje. Kondensatory mają szeroki zakres zastosowań, w tym magazynowanie energii, szybki wybuch uwolnionej energii oraz elektronika piezoelektryczna, w której zmiany ciśnienia w urządzeniu generują sygnały elektryczne.
Oczywiście wykonanie wielu płytek oddzielonych małymi odległościami na bardzo, bardzo małą skalę jest nie tylko trudne, ale także zasadniczo ograniczone. Niedawny postęp w materiałach — zwłaszcza tytanianu wapnia i miedzi (CCTO) — umożliwia przechowywanie dużych ilości ładunku w małych przestrzeniach: superkondensatory. Te zminiaturyzowane urządzenia można wielokrotnie ładować i rozładowywać, zanim się zużyją; ładuj i rozładowuj szybciej; i przechowują 100 razy więcej energii na jednostkę objętości niż starsze kondensatory. Stanowią one technologię zmieniającą reguły gry, jeśli chodzi o miniaturyzację elektroniki.
4.) Superinduktory. Jako ostatni z „Wielkiej Trójki”, superinduktor jest najnowszym produktem, który pojawi się na rynku do 2018 roku. Cewka indukcyjna to w zasadzie cewka z prądem wykorzystywana w magnesowalnym rdzeniu. Cewki przeciwstawiają się zmianom w ich wewnętrznym polu magnetycznym pole, co oznacza, że ​​jeśli spróbujesz przepuścić przez nie prąd, ono stawia opór przez chwilę, następnie pozwala na swobodny przepływ prądu i w końcu ponownie stawia opór zmianom po wyłączeniu prądu. Razem z rezystorami i kondensatorami są to trzy podstawowe elementy wszystkich obwodów. Ale znowu istnieje granica tego, jak małe mogą być.
Problem w tym, że wartość indukcyjności zależy od powierzchni induktora, co jest zabójcą marzeń w zakresie miniaturyzacji. Ale oprócz klasycznej indukcyjności magnetycznej istnieje również koncepcja indukcyjności energii kinetycznej: bezwładność cząsteczki przewodzące prąd same zapobiegają zmianom w swoim ruchu. Tak jak mrówki w linii muszą ze sobą „rozmawiać”, aby zmienić prędkość, tak cząstki przewodzące prąd, podobnie jak elektrony, muszą wywierać na siebie siłę, aby przyspieszyć lub zwolnij. Ten opór wobec zmian stwarza wrażenie ruchu. Pod kierownictwem Laboratorium Badawczego Nanoelektroniki Kaustava Banerjee opracowano induktor energii kinetycznej wykorzystujący technologię grafenu: materiał o największej gęstości indukcyjności, jaki kiedykolwiek zarejestrowano.
5.) Umieść grafen w dowolnym urządzeniu. Teraz zróbmy podsumowanie. Mamy grafen. Mamy „super” wersje rezystorów, kondensatorów i cewek – zminiaturyzowane, solidne, niezawodne i wydajne. Ostatnia przeszkoda w rewolucji ultraminiaturyzacji w elektronice przynajmniej w teorii, jest możliwość przekształcenia dowolnego urządzenia (wykonanego z niemal dowolnego materiału) w urządzenie elektroniczne. Aby było to możliwe, wystarczy, że potrafimy wbudować elektronikę opartą na grafenie w dowolny rodzaj materiału, jaki chcemy, w tym materiały elastyczne. Fakt, że grafen charakteryzuje się dobrą płynnością, elastycznością, wytrzymałością i przewodnością, a jednocześnie jest nieszkodliwy dla ludzi, czyni go idealnym do tego celu.
W ciągu ostatnich kilku lat grafen i urządzenia grafenowe wytwarzano w sposób, który udało się osiągnąć jedynie w kilku procesach, które same w sobie są dość rygorystyczne. Można utlenić zwykły stary grafit, rozpuścić go w wodzie i wytworzyć grafen za pomocą pary chemicznej Jednakże istnieje tylko kilka podłoży, na których można osadzać grafen w ten sposób. Można chemicznie zredukować tlenek grafenu, ale jeśli to zrobimy, otrzymamy grafen niskiej jakości. Grafen można również wyprodukować poprzez mechaniczne złuszczanie , ale nie pozwala to kontrolować rozmiaru ani grubości produkowanego grafenu.
W tym miejscu pojawia się postęp w dziedzinie grafenu grawerowanego laserowo. Można to osiągnąć na dwa główne sposoby. Jeden z nich to zacząć od tlenku grafenu. Tak samo jak poprzednio: bierzesz grafit i utleniasz go, ale zamiast go redukować chemicznie, redukujesz go za pomocą lasera. W odróżnieniu od chemicznie zredukowanego tlenku grafenu jest to produkt wysokiej jakości, który może znaleźć zastosowanie m.in. w superkondensatorach, obwodach elektronicznych, kartach pamięci.
Można również użyć poliimidu, wysokotemperaturowego tworzywa sztucznego i grafenu wzorzystego bezpośrednio za pomocą lasera. Laser rozrywa wiązania chemiczne w sieci poliimidu, a atomy węgla termicznie reorganizują się, tworząc cienkie, wysokiej jakości arkusze grafenu. Poliimid wykazał mnóstwo potencjalnych zastosowań, bo jeśli uda się wygrawerować na nim obwody grafenowe, to w zasadzie można zamienić poliimid dowolnego kształtu w nadającą się do noszenia elektronikę. Oto kilka przykładów:
Ale być może najbardziej ekscytujące – biorąc pod uwagę pojawienie się, rozwój i wszechobecność nowych odkryć grafenu grawerowanego laserowo – znajduje się na horyzoncie tego, co jest obecnie możliwe. Dzięki grafenowi grawerowanemu laserowo można zbierać i magazynować energię: urządzenie kontrolujące energię .Jednym z najbardziej rażących przykładów niepowodzenia technologicznego są baterie. Obecnie do magazynowania energii elektrycznej niemal używamy ogniw suchych, co stanowi wielowiekową technologię. Prototypy nowych urządzeń magazynujących, takich jak baterie cynkowo-powietrzne i akumulatory półprzewodnikowe stworzono elastyczne kondensatory elektrochemiczne.
Dzięki grafenowi grawerowanemu laserowo możemy nie tylko zrewolucjonizować sposób magazynowania energii, ale także stworzyć urządzenia do noszenia, które przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną: nanogeneratory tryboelektryczne. Możemy stworzyć niezwykłe organiczne fotowoltaiki, które mogą zrewolucjonizować energię słoneczną. mógłby również wyprodukować elastyczne ogniwa biopaliwowe; możliwości są ogromne. W zakresie gromadzenia i magazynowania energii rewolucje mają charakter krótkoterminowy.
Co więcej, grafen grawerowany laserowo powinien zapoczątkować erę niespotykanych czujników. Obejmuje to czujniki fizyczne, ponieważ zmiany fizyczne (takie jak temperatura lub odkształcenie) powodują zmiany właściwości elektrycznych, takich jak rezystancja i impedancja (które obejmują również udział pojemności i indukcyjności ).Obejmują one także urządzenia wykrywające zmiany właściwości gazu i wilgotności, a po zastosowaniu na ciele człowieka – fizyczne zmiany parametrów życiowych. Na przykład pomysł trikordera inspirowanego Star Trekiem może szybko stać się przestarzały po prostu podłączając plaster monitorujący parametry życiowe, który natychmiast ostrzega nas o wszelkich niepokojących zmianach w naszym organizmie.
Ten sposób myślenia może również otworzyć zupełnie nową dziedzinę: bioczujniki oparte na technologii grafenu grawerowanego laserowo. Sztuczne gardło oparte na grafenie grawerowanym laserowo mogłoby pomóc w monitorowaniu wibracji gardła, identyfikując różnice w sygnałach między kaszlem, brzęczeniem, krzykiem, połykaniem i kiwaniem głową ruchy. Grafen grawerowany laserowo ma również ogromny potencjał, jeśli chcesz stworzyć sztuczny bioreceptor, który może celować w określone cząsteczki, zaprojektować różne bioczujniki do noszenia, a nawet pomóc w umożliwieniu różnych zastosowań telemedycyny.
Dopiero w 2004 roku po raz pierwszy opracowano metodę wytwarzania arkuszy grafenu, przynajmniej w zamierzeniu. W ciągu 17 lat, jakie upłynęły od tego czasu, seria równoległych osiągnięć wreszcie wysunęła na pierwszy plan możliwość zrewolucjonizowania sposobu, w jaki człowiek wchodzi w interakcję z elektroniką. W porównaniu do wszystkich istniejących metod produkcji i wytwarzania urządzeń na bazie grafenu, grafen grawerowany laserowo umożliwia tworzenie prostych, masowo produkowanych, wysokiej jakości i niedrogich wzorów grafenowych w różnych zastosowaniach, w tym w zmianie elektroniki skórnej.
W najbliższej przyszłości można spodziewać się postępu w sektorze energii, obejmującego kontrolę energii, pozyskiwanie energii i magazynowanie energii. Również w najbliższej przyszłości nastąpi postęp w dziedzinie czujników, w tym czujników fizycznych, czujników gazów, a nawet biosensorów. Największe rewolucja będzie prawdopodobnie związana z urządzeniami do noszenia, w tym urządzeniami do diagnostycznych zastosowań telemedycznych. Z pewnością pozostaje wiele wyzwań i przeszkód. Jednak przeszkody te wymagają stopniowych, a nie rewolucyjnych ulepszeń. W miarę ciągłego wzrostu podłączonych urządzeń i Internetu rzeczy potrzeba ultramała elektronika jest większa niż kiedykolwiek. Dzięki najnowszym postępom w technologii grafenu przyszłość pod wieloma względami już nadeszła.