hír

Szinte minden, amivel a modern világban találkozunk, bizonyos mértékig az elektronikán múlik.Mióta először felfedeztük, hogyan használhatunk elektromosságot mechanikai munka előállítására, kis és nagy eszközöket hoztunk létre, amelyek műszakilag javítják életünket.Az elektromos lámpáktól az okostelefonokig minden eszköz Az általunk kifejlesztett néhány egyszerű alkatrészből áll, amelyek különböző konfigurációkban vannak összefűzve. Valójában több mint egy évszázada a következőkre támaszkodtunk:
Modern elektronikai forradalmunk erre a négy típusú komponensre, valamint – később – tranzisztorokra támaszkodik, amelyek szinte mindent elhoznak, amit ma használunk. Ahogy versenyzünk az elektronikus eszközök miniatürizálásán, életünk és valóságunk egyre több aspektusának megfigyelésén, több adat továbbításán kevesebb energiát, és eszközeinket egymáshoz csatlakoztatva gyorsan szembesülünk ezekkel a klasszikus korlátokkal.Technológia.A 2000-es évek elején azonban öt fejlesztés jött össze, és ezek elkezdték átalakítani modern világunkat.Íme, hogyan zajlott mindez.
1.) A grafén kifejlesztése.A természetben található vagy a laboratóriumban létrehozott anyagok közül a gyémánt már nem a legkeményebb anyag.Hat keményebb van, a legkeményebb a grafén.2004-ben a grafén, egy atom vastagságú szénréteg hatszögletű kristálymintázatba zárva, véletlenül izolálták a laboratóriumban.Csak hat évvel az előrelépés után felfedezői, Andrej Heim és Kosztja Novoszelov megkapták a fizikai Nobel-díjat. Nemcsak a valaha készült legkeményebb anyag, hanem hihetetlenül ellenálló fizikai, kémiai és termikus stressz, de valójában ez egy tökéletes atomrács.
A grafén emellett lenyűgöző vezető tulajdonságokkal is rendelkezik, ami azt jelenti, hogy ha szilícium helyett grafénből lehetne előállítani az elektronikus eszközöket, beleértve a tranzisztorokat is, akkor kisebbek és gyorsabbak lennének, mint bármi, ami jelenleg van. Ha a grafént műanyagba keverik, akkor belőle hőálló, erősebb anyag, amely elektromosságot is vezet.Ráadásul a grafén körülbelül 98%-ban átlátszó a fény számára, ami azt jelenti, hogy forradalmi az átlátszó érintőképernyők, fénykibocsátó panelek és még a napelemek terén is.A Nobel Alapítvány megfogalmazása szerint 11 év „talán az elektronika újabb miniatürizálásának küszöbén állunk, ami a számítógépek hatékonyabbá tételéhez vezet a jövőben.”
2.) Felületre szerelhető ellenállások. Ez a legrégebbi „új” technológia, és valószínűleg mindenki számára ismert, aki boncolgatott számítógépet vagy mobiltelefont. A felületre szerelhető ellenállás egy apró téglalap alakú tárgy, általában kerámiából, és mindkét oldalán vezető élek vannak. A kerámiák fejlesztése, amelyek ellenállnak az áram áramlásának anélkül, hogy nagy mennyiségű energiát vagy hőt disszipálnának, lehetővé tette olyan ellenállások létrehozását, amelyek jobbak, mint a régebbi hagyományos ellenállások: axiális vezetékellenállások.
Ezek a tulajdonságok ideálissá teszik a modern elektronikában, különösen az alacsony fogyasztású és mobil eszközökben való használatra. Ha ellenállásra van szüksége, használhatja ezen SMD-k (felületre szerelhető eszközök) egyikét az ellenállások méretének csökkentésére vagy növelésére. az azonos méretkorlátozásokon belül alkalmazható teljesítmény.
3.) Szuperkondenzátorok. A kondenzátorok az egyik legrégebbi elektronikai technológia. Egy egyszerű összeállításon alapulnak, amelyben két vezetőképes felület (lemezek, hengerek, gömbhéjak stb.) kis távolságra el van választva egymástól, és a kettő felületek képesek fenntartani az egyenlő és ellentétes töltéseket.Amikor megpróbálja átvezetni az áramot a kondenzátoron, az feltöltődik, és amikor kikapcsolja az áramot vagy csatlakoztatja a két lemezt, a kondenzátor kisül.A kondenzátorok alkalmazási köre széles skálán mozog, beleértve az energiatárolást, a a felszabaduló energia gyors kitörése és a piezoelektromos elektronika, ahol a készülék nyomásának változása elektromos jeleket generál.
Természetesen több, apró távolsággal elválasztott lemez elkészítése nagyon kis léptékben nem csak kihívás, de alapvetően korlátozott is. Az anyagok – különösen a kalcium-réz-titanát (CCTO) – legújabb fejlesztései nagy mennyiségű töltést képesek tárolni apró helyeken: szuperkondenzátorokban. Ezek a miniatürizált eszközök többször is feltölthetők és kisüthetők, mielőtt elhasználnának; gyorsabb töltés és kisütés; és a régebbi kondenzátorok térfogategységenkénti energiájának 100-szorosát tárolják. Az elektronika miniatürizálása során a játékot megváltoztató technológia.
4.) Szupertekercsek.A „Három Nagy” közül az utolsó, a szuperinduktor a legújabb játékos, amely 2018-ig jelent meg. Az induktor alapvetően egy tekercs, amelynek áramát mágnesezhető maggal használják. Az induktorok ellenzik a belső mágnesességük változásait. mező, ami azt jelenti, hogy ha megpróbálja átengedni rajta az áramot, egy ideig ellenáll, majd szabadon átfolyik rajta az áramot, végül pedig ismét ellenáll a változásoknak, amikor kikapcsolja az áramot. Az ellenállásokkal és kondenzátorokkal együtt ezek a Az összes áramkör három alapvető eleme. De megint csak van egy határ, hogy milyen kicsik lehetnek.
A probléma az, hogy az induktivitás értéke az induktor felületétől függ, ami a miniatürizálás szempontjából álomgyilkos. De a klasszikus mágneses induktivitás mellett létezik a kinetikus energia induktivitás fogalma is: az inercia maguk az áramot szállító részecskék akadályozzák meg mozgásukban bekövetkező változásokat. Ahogy a hangyáknak egy vonalban „beszélniük” kell egymással, hogy megváltoztassák sebességüket, úgy ezeknek az áramhordozó részecskéknek, akárcsak az elektronoknak, erőt kell kifejteniük egymásra, hogy felgyorsuljanak. vagy lelassul.Ez a változással szembeni ellenállás mozgásérzést kelt.Kaustav Banerjee Nanoelektronikai Kutatólaboratóriumának vezetésével mostanra graféntechnológiát alkalmazó kinetikus energiájú induktort fejlesztettek ki: a valaha rögzített legnagyobb induktivitássűrűségű anyagot.
5.) Tegyen grafént bármilyen eszközbe.Most vessünk számot.Van grafén.Vannak „szuper” ellenállásaink, kondenzátoraink és induktoraink – miniatürizáltak, robusztusak, megbízhatóak és hatékonyak.A végső akadály az ultraminiatürizálás forradalmában az elektronikában , legalábbis elméletben, az a képesség, hogy bármilyen (szinte bármilyen anyagból készült) eszközt elektronikus eszközzé alakítsunk. Ahhoz, hogy ez lehetséges legyen, csak arra van szükségünk, hogy grafén alapú elektronikát bármilyen típusú anyagba beágyazjunk, beleértve a rugalmas anyagokat.Az a tény, hogy a grafén jó folyékonysággal, rugalmassággal, szilárdsággal és vezetőképességgel rendelkezik, miközben ártalmatlan az emberre, ideálissá teszi erre a célra.
Az elmúlt néhány évben a grafént és a graféneszközöket olyan módon gyártották, amelyet csak néhány olyan eljárással sikerült elérni, amelyek maguk is meglehetősen szigorúak. A sima régi grafitot oxidálhatja, vízben oldhatja, és vegyi gőzzel grafént készíthet. lerakódás.Azonban csak néhány szubsztrátum van, amelyre grafént le lehet rakni ily módon.A grafén-oxidot kémiailag redukálhatja, de ha igen, akkor rossz minőségű grafént kap. Grafént mechanikus hámlasztással is előállíthat , de ez nem teszi lehetővé az Ön által előállított grafén méretének vagy vastagságának szabályozását.
Itt jön be a lézergravírozott grafén fejlődése. Két fő módja van ennek elérésére. Az egyik a grafén-oxiddal való kezdés. Ugyanaz, mint korábban: veszed a grafitot és oxidálod, de ahelyett, hogy kémiailag redukálnád, redukálod. lézerrel.A kémiailag redukált grafén-oxiddal ellentétben kiváló minőségű termék, amely többek között szuperkondenzátorokban, elektronikus áramkörökben és memóriakártyákban is használható.
Poliimidet, magas hőmérsékletű műanyagot és grafénmintát is használhat közvetlenül lézerrel. A lézer megszakítja a kémiai kötéseket a poliimid hálózatban, és a szénatomok termikusan újraszerveződnek vékony, kiváló minőségű grafénlapokká. A poliimid kimutatta, hogy egy csomó potenciális alkalmazás, mert ha grafén áramköröket gravírozhat rá, akkor gyakorlatilag bármilyen alakú poliimidet hordható elektronikává alakíthat. Ezek, hogy néhányat említsünk, a következők:
De talán a legizgalmasabb – tekintettel a lézergravírozott grafén új felfedezéseire, térnyerésére és mindenütt jelen lévő felfedezésére – a jelenleg lehetségesek horizontján áll. A lézergravírozott grafénnel energiát gyűjthet be és tárolhat: energiaszabályozó eszköz .A technológia kudarcának egyik legkirívóbb példája az akkumulátorok.Ma szinte szárazcellás kémiát használunk az elektromos energia tárolására, ez egy évszázados technológia.Új tárolóeszközök prototípusai, mint például a cink-levegő akkumulátorok és a szilárdtest-elemek rugalmas elektrokémiai kondenzátorokat hoztak létre.
A lézerrel gravírozott grafénnel nemcsak az energiatárolás módját tudjuk forradalmasítani, hanem hordható eszközöket is létrehozhatunk, amelyek a mechanikai energiát elektromos árammá alakítják át: triboelektromos nanogenerátorokat. Figyelemreméltó szerves fotovoltaikus elemeket hozhatunk létre, amelyek forradalmasíthatják a napenergiát. rugalmas bioüzemanyag-cellákat is készíthet; a lehetőségek óriásiak.Az energiagyűjtés és -tárolás határterületén a forradalmak mind rövid távon.
Ezenkívül a lézergravírozott grafénnek a példátlan érzékelők korszakát kell bevezetnie. Ide tartoznak a fizikai érzékelők is, mivel a fizikai változások (például hőmérséklet vagy feszültség) változásokat okoznak az elektromos tulajdonságokban, például az ellenállásban és az impedanciában (amely magában foglalja a kapacitás és az induktivitás hozzájárulását is) ).Olyan eszközöket is tartalmaz, amelyek érzékelik a gáz tulajdonságaiban és a páratartalomban bekövetkező változásokat, valamint – ha az emberi testre alkalmazzák – valakinek az életjelekben bekövetkező fizikai változásait. Például egy Star Trek ihletésű trikorder ötlete gyorsan elavulttá válhat egyszerűen fel kell helyezni egy életjeleket figyelő tapaszt, amely azonnal figyelmeztet bennünket a testünkben tapasztalható aggasztó változásokra.
Ez a gondolkodásmód egy teljesen új területet is nyithat: a lézergravírozott grafén technológián alapuló bioszenzorokat. A lézergravírozott grafén alapú mesterséges torok segíthet a torok rezgésének monitorozásában, azonosítani a jelek különbségeit a köhögés, a zümmögés, a sikítás, a nyelés és a bólogatás között. mozgások.A lézerrel gravírozott grafén is nagy lehetőségeket rejt magában, ha olyan mesterséges bioreceptort szeretne létrehozni, amely meghatározott molekulákat céloz meg, különféle hordható bioszenzorokat tervezhet, vagy akár különféle távorvoslási alkalmazásokat is lehetővé tesz.
Csak 2004-ben fejlesztették ki először a grafénlapok előállításának módszerét, legalábbis szándékosan. Az azóta eltelt 17 év során a párhuzamos fejlesztések sorozata végre előtérbe helyezte annak lehetőségét, hogy forradalmasítsák az emberek és az elektronika kölcsönhatásait. Összehasonlítva a grafén alapú eszközök gyártásának és gyártásának minden létező módszerével, a lézergravírozott grafén egyszerű, tömegesen gyártható, kiváló minőségű és olcsó grafénmintákat tesz lehetővé számos alkalmazási területen, beleértve a bőrelektronikai változtatásokat is.
A közeljövőben ésszerű előrelépéseket várni az energiaszektorban, beleértve az energiaszabályozást, az energiagyűjtést és az energiatárolást. Szintén a közeljövőben fejlődés várható az érzékelők terén, beleértve a fizikai érzékelőket, a gázérzékelőket, sőt a bioszenzorokat is. a forradalom valószínűleg a hordható eszközöktől származik, beleértve a diagnosztikai távorvoslási alkalmazásokhoz használt eszközöket is.Az biztos, hogy számos kihívás és akadály továbbra is fennáll.De ezek az akadályok inkább fokozatos, semmint forradalmi fejlesztéseket igényelnek.Mivel a csatlakoztatott eszközök és a tárgyak internete tovább növekszik, szükség van a az ultra-kis elektronika minden eddiginél nagyobb. A graféntechnológia legújabb vívmányaival a jövő sok szempontból már itt van.