новини

Майже все, з чим ми стикаємося в сучасному світі, певною мірою залежить від електроніки. Відколи ми вперше виявили, як використовувати електрику для генерування механічної роботи, ми створили великі та малі пристрої, щоб технічно покращити наше життя. Від електричного освітлення до смартфонів, кожен пристрій ми розробляємо, складається лише з кількох простих компонентів, з’єднаних разом у різних конфігураціях. Фактично, понад століття ми покладалися на:
Наша сучасна революція в електроніці спирається на ці чотири типи компонентів, а також — пізніше — на транзисторах, щоб надати нам майже все, чим ми користуємося сьогодні. По мірі того, як ми намагаємося мініатюризувати електронні пристрої, відстежуємо все більше й більше аспектів нашого життя та реальності, передаємо більше даних за допомогою менше енергії та підключення наших пристроїв один до одного, ми швидко стикаємося з цими класичними обмеженнями. Технології. Але на початку 2000-х п’ять досягнень об’єдналися, і вони почали перетворювати наш сучасний світ. Ось як усе було.
1.) Розробка графену. З усіх матеріалів, знайдених у природі або створених у лабораторії, алмаз більше не є найтвердішим матеріалом. Є шість твердіших матеріалів, найтвердішим є графен. У 2004 році графен, лист вуглецю товщиною в атом замкнені разом у гексагональний кристалічний візерунок, був випадково виділений у лабораторії. Лише через шість років після цього досягнення його першовідкривачі Андрій Гейм і Костя Новосьолов отримали Нобелівську премію з фізики. Це не тільки найтвердіший матеріал, який коли-небудь створювався, неймовірно стійкий до фізичний, хімічний і термічний стрес, але насправді це ідеальна решітка атомів.
Графен також має дивовижні провідні властивості, а це означає, що якщо електронні пристрої, включно з транзисторами, можна буде виготовляти з графену замість кремнію, вони потенційно можуть бути меншими та швидшими за все, що ми маємо сьогодні. Якщо графен змішати з пластиком, його можна перетворити на термостійкий, міцніший матеріал, який також проводить електрику. Крім того, графен приблизно на 98% прозорий для світла, що означає, що він є революційним для прозорих сенсорних екранів, світловипромінюючих панелей і навіть сонячних елементів. За словами Нобелівського фонду, 11 років тому, «можливо, ми стоїмо на порозі ще однієї мініатюризації електроніки, яка призведе до того, що комп’ютери стануть більш ефективними в майбутньому».
2.) Резистори для поверхневого монтажу. Це найстаріша «нова» технологія, і, ймовірно, знайома кожному, хто розбирав комп’ютер або мобільний телефон. Резистор для поверхневого монтажу — це крихітний прямокутний об’єкт, зазвичай виготовлений із кераміки, із струмопровідними краями на обох Розробка кераміки, яка протистоїть потоку струму, не розсіюючи багато енергії чи тепла, дозволила створити резистори, які перевершують старіші традиційні резистори, які використовувалися раніше: аксіальні свинцеві резистори.
Ці властивості роблять його ідеальним для використання в сучасній електроніці, особливо в малопотужних і мобільних пристроях. Якщо вам потрібен резистор, ви можете використовувати один із цих SMD (пристроїв для поверхневого монтажу), щоб зменшити або збільшити потрібний розмір резисторів. потужність, яку ви можете застосувати до них у тих самих обмеженнях розміру.
3.) Суперконденсатори. Конденсатори є однією з найстаріших електронних технологій. Вони базуються на простій установці, у якій дві провідні поверхні (пластини, циліндри, сферичні оболонки тощо) відокремлені одна від одної на невелику відстань, а дві поверхні здатні підтримувати однакові та протилежні заряди. Коли ви намагаєтеся пропустити струм через конденсатор, він заряджається, а коли ви вимикаєте струм або з’єднуєте дві пластини, конденсатор розряджається. Конденсатори мають широкий спектр застосувань, зокрема зберігання енергії, швидкий викид вивільненої енергії та п’єзоелектрична електроніка, де зміни тиску пристрою генерують електричні сигнали.
Звичайно, створення кількох пластин, розділених крихітними відстанями в дуже-дуже малому масштабі, не тільки складне, але й принципово обмежене. Останні досягнення в матеріалах, особливо титанат кальцію і міді (CCTO), можуть зберігати велику кількість заряду в крихітних просторах: суперконденсатори. Ці мініатюрні пристрої можна заряджати та розряджати кілька разів, перш ніж вони зношаться; швидше заряджати і розряджати; і зберігають у 100 разів більше енергії на одиницю об’єму, ніж старі конденсатори. Це кардинальна технологія, коли мова йде про мініатюризацію електроніки.
4.) Суперіндуктори. Як останній із «Великої трійки», суперіндуктор є останнім гравцем, який з’явиться до 2018 року. Індуктор — це в основному котушка зі струмом, що використовується з намагніченим сердечником. Індуктори протидіють змінам їх внутрішнього магнітного поля. Це означає, що якщо ви намагаєтеся пропустити через нього струм, воно деякий час чинить опір, потім дозволяє струму вільно протікати через нього, і, нарешті, знову чинить опір змінам, коли ви вимикаєте струм. Разом із резисторами та конденсаторами вони є три основні елементи всіх схем. Але знову ж таки, є межа того, наскільки малими вони можуть бути.
Проблема полягає в тому, що значення індуктивності залежить від площі поверхні котушки індуктивності, яка є вбивцею мрій з точки зору мініатюризації. Але крім класичної магнітної індуктивності, існує також концепція індуктивності кінетичної енергії: інерція самі частинки зі струмом перешкоджають змінам у своєму русі. Подібно до того, як мурахи в рядку повинні «розмовляти» один з одним, щоб змінити свою швидкість, цим частинкам зі струмом, як електронам, потрібно прикладати силу одна до одної, щоб прискорити Цей опір змінам створює відчуття руху. Під керівництвом дослідницької лабораторії наноелектроніки Каустава Банерджі розроблено індуктор кінетичної енергії з використанням графенової технології: матеріал із найвищою щільністю індуктивності, який будь-коли зареєстровано.
5.) Вставте графен у будь-який пристрій. Тепер підіб’ємо підсумки. У нас є графен. У нас є «супер» версії резисторів, конденсаторів і котушок індуктивності – мініатюрні, міцні, надійні та ефективні. Остання перешкода на шляху революції ультрамініатюризації в електроніці , принаймні теоретично, це здатність перетворити будь-який пристрій (зроблений майже з будь-якого матеріалу) на електронний пристрій. Щоб зробити це можливим, все, що нам потрібно, це здатність вбудовувати електроніку на основі графену в будь-який тип матеріалу, який ми хочемо, включаючи гнучкі матеріали. Той факт, що графен має хорошу текучість, гнучкість, міцність і провідність, нешкідливий для людини, робить його ідеальним для цієї мети.
За останні кілька років графен і графенові пристрої були виготовлені таким чином, що це було досягнуто лише за допомогою кількох процесів, які самі по собі є досить суворими. Ви можете окислити звичайний старий графіт, розчинити його у воді та зробити графен за допомогою хімічної пари. Однак існує лише кілька підкладок, на які графен можна осадити таким чином. Ви можете хімічно відновити оксид графену, але якщо ви це зробите, ви отримаєте графен низької якості. Ви також можете виготовити графен шляхом механічного відлущування , але це не дозволяє вам контролювати розмір або товщину графену, який ви виробляєте.
Ось тут і з’являється прогрес у графені з лазерним гравіюванням. Є два основні способи досягти цього. Перший – почати з оксиду графену. Те саме, що й раніше: ви берете графіт і окислюєте його, але замість хімічного відновлення ви його відновлюєте за допомогою лазера. На відміну від хімічно відновленого оксиду графену, це високоякісний продукт, який можна використовувати в суперконденсаторах, електронних схемах і картах пам’яті тощо.
Ви також можете використовувати поліімід, високотемпературний пластик, і візерунок графену безпосередньо за допомогою лазера. Лазер розриває хімічні зв’язки в поліімідній сітці, і атоми вуглецю термічно реорганізуються, утворюючи тонкі високоякісні листи графену. Поліімід показав безліч потенційних застосувань, тому що якщо ви можете вигравірувати на ньому графенові схеми, ви можете фактично перетворити будь-яку форму полііміду в електроніку, яку можна носити. Серед них, якщо назвати декілька, включають:
Але, мабуть, найцікавіше — враховуючи появу, зростання та повсюдне поширення нових відкриттів графену з лазерним гравіюванням — це те, що зараз можливо. За допомогою графену з лазерним гравіюванням ви можете збирати та зберігати енергію: пристрій для контролю енергії .Одним із найяскравіших прикладів неспроможності технологій є батареї. Сьогодні ми майже використовуємо сухі хімічні елементи для накопичення електроенергії, багатовікову технологію. Прототипи нових накопичувачів, таких як повітряно-цинкові батареї та твердотільні батареї створені гнучкі електрохімічні конденсатори.
Завдяки графену з лазерним гравіюванням ми можемо не лише революціонізувати спосіб накопичення енергії, але й створити переносні пристрої, які перетворюють механічну енергію в електрику: трибоелектричні наногенератори. Ми можемо створити чудові органічні фотоелектричні елементи, які можуть революціонізувати сонячну енергетику. Ми може також виготовляти гнучкі біопаливні елементи; можливості величезні. На рубежах збору та зберігання енергії всі революції відбуваються в короткостроковій перспективі.
Крім того, графен із лазерним гравіюванням має розпочати еру безпрецедентних датчиків. Це включає фізичні датчики, оскільки фізичні зміни (такі як температура або деформація) викликають зміни електричних властивостей, таких як опір та імпеданс (які також включають внески ємності та індуктивності). ).Сюди також входять пристрої, які виявляють зміни у властивостях газу та вологості, а також – при застосуванні до тіла людини – фізичні зміни чиїхось життєвих функцій. Наприклад, ідея трикодеру, натхненного «Зоряним шляхом», може швидко застаріти через просто приєднавши пластир для моніторингу життєво важливих показників, який миттєво сповіщає нас про будь-які тривожні зміни в нашому тілі.
Цей напрямок думок також може відкрити зовсім нове поле: біосенсори на основі технології лазерного гравіювання графену. Штучне горло на основі графену з лазерним гравіюванням може допомогти відстежувати вібрацію горла, визначаючи відмінності сигналу між кашлем, дзижчанням, криком, ковтанням і киванням. Рухи. Лазерно вигравірований графен також має великий потенціал, якщо ви хочете створити штучний біорецептор, який може націлюватися на конкретні молекули, розробляти різні переносні біосенсори або навіть допомагати впроваджувати різноманітні телемедичні програми.
Лише у 2004 році було вперше розроблено метод виробництва графенових листів, принаймні навмисно. За 17 років, що минули з тих пір, серія паралельних досягнень нарешті вивела на передній план можливість революціонізувати спосіб взаємодії людини з електронікою. Порівняно з усіма існуючими методами виробництва та виготовлення пристроїв на основі графену, графен із лазерним гравіюванням дає змогу створювати прості, масово виготовлені, високоякісні та недорогі візерунки графену в різноманітних застосуваннях, включаючи зміну електроніки шкіри.
У найближчому майбутньому розумно очікувати прогресу в енергетичному секторі, включаючи контроль енергії, збір енергії та зберігання енергії. Також у найближчій перспективі є досягнення у сенсорах, включаючи фізичні датчики, газові датчики та навіть біосенсори. Революція, швидше за все, прийде з переносних пристроїв, у тому числі пристроїв для діагностичних телемедичних додатків. Безперечно, багато проблем і перешкод залишається. Але ці перешкоди вимагають поступових, а не революційних удосконалень. Оскільки підключені пристрої та Інтернет речей продовжують зростати, потреба в Ультрамаленька електроніка є більшою, ніж будь-коли. Завдяки останнім досягненням у графеновій технології майбутнє багато в чому вже тут.