zprávy

Téměř vše, s čím se v moderním světě setkáváme, do určité míry závisí na elektronice. Od chvíle, kdy jsme poprvé objevili, jak používat elektřinu k výrobě mechanické práce, jsme vytvořili velká i malá zařízení, abychom technicky zlepšili naše životy. Od elektrických světel po chytré telefony, každé zařízení Vyvíjíme se skládá pouze z několika jednoduchých součástí sešitých dohromady v různých konfiguracích. Ve skutečnosti již více než století spoléháme na:
Naše moderní elektronická revoluce se opírá o tyto čtyři typy součástek a později tranzistory, které nám přinášejí téměř vše, co dnes používáme. méně energie a vzájemně propojujeme naše zařízení, rychle narazíme na tyto klasické limity. Technologie. Ale na počátku 21. století se sešlo pět pokroků, které začaly přetvářet náš moderní svět. Zde je návod, jak to všechno šlo.
1.) Vývoj grafenu. Ze všech materiálů nalezených v přírodě nebo vytvořených v laboratoři již diamant není nejtvrdším materiálem. Existuje šest tvrdších, z nichž nejtvrdší je grafen. V roce 2004 byl grafen, atomově silná vrstva uhlíku uzamčen dohromady v šestiúhelníkovém krystalovém vzoru, byl náhodně izolován v laboratoři. Pouhých šest let po tomto pokroku byli jeho objevitelé Andrei Heim a Kostya Novoselov oceněni Nobelovou cenou za fyziku. Nejenže je to nejtvrdší materiál, jaký byl kdy vyroben, je neuvěřitelně odolný vůči fyzikální, chemické a tepelné namáhání, ale ve skutečnosti je to dokonalá mřížka atomů.
Grafen má také fascinující vodivé vlastnosti, což znamená, že pokud by elektronická zařízení, včetně tranzistorů, mohla být vyrobena z grafenu místo křemíku, mohla by být potenciálně menší a rychlejší než cokoli, co dnes máme. tepelně odolný, pevnější materiál, který také vede elektřinu. Kromě toho je grafen asi z 98 % průhledný pro světlo, což znamená, že je revoluční pro průhledné dotykové obrazovky, panely vyzařující světlo a dokonce i solární články. Jak uvedla Nobelova nadace 11 let "Možná jsme na pokraji další miniaturizace elektroniky, která povede k tomu, že počítače budou v budoucnu efektivnější."
2.) Rezistory pro povrchovou montáž. Toto je nejstarší „nová“ technologie a pravděpodobně ji zná každý, kdo pitval počítač nebo mobilní telefon. Rezistor pro povrchovou montáž je malý obdélníkový předmět, obvykle vyrobený z keramiky, s vodivými okraji na obou stranách. Vývoj keramiky, která odolává toku proudu, aniž by rozptýlila mnoho energie nebo tepla, umožnil vytvořit rezistory, které jsou lepší než starší tradiční rezistory používané dříve: axiální vývodové rezistory.
Díky těmto vlastnostem je ideální pro použití v moderní elektronice, zejména v nízkoenergetických a mobilních zařízeních. Pokud potřebujete rezistor, můžete použít jeden z těchto SMD (zařízení pro povrchovou montáž) ke zmenšení velikosti, kterou potřebujete pro rezistory, nebo ke zvětšení sílu, kterou na ně můžete použít v rámci stejných omezení velikosti.
3.) Superkondenzátory.Kondenzátory jsou jednou z nejstarších elektronických technologií. Jsou založeny na jednoduchém uspořádání, ve kterém jsou dvě vodivé plochy (desky, válce, kulové pláště atd.) od sebe odděleny malou vzdáleností a povrchy jsou schopny udržovat stejné a opačné náboje. Když se pokusíte propustit proud kondenzátorem, nabije se a když proud vypnete nebo spojíte dvě desky, kondenzátor se vybije. Kondenzátory mají širokou škálu aplikací, včetně skladování energie, a rychlý výbuch uvolněné energie a piezoelektrická elektronika, kde změny tlaku zařízení generují elektrické signály.
Výroba více desek oddělených malými vzdálenostmi ve velmi, velmi malém měřítku je samozřejmě nejen náročná, ale zásadně omezená. Nedávné pokroky v materiálech – zejména titaničitan vápenato-měďnatý (CCTO) – mohou ukládat velké množství náboje do malých prostorů: superkondenzátory. Tato miniaturizovaná zařízení lze několikrát nabíjet a vybíjet, než se opotřebují; rychlejší nabíjení a vybíjení; a uchovávají 100krát více energie na jednotku objemu než starší kondenzátory. Jedná se o technologii, která mění hru, pokud jde o miniaturizaci elektroniky.
4.) Superinduktory. Jako poslední z „velké trojky“ je superinduktor nejnovějším hráčem, který vyšel do roku 2018. Induktor je v podstatě cívka s proudem používaným s magnetizovatelným jádrem. pole, což znamená, že pokud se jím pokusíte nechat protékat proud, chvíli vzdoruje, pak jím nechá proud volně protékat a nakonec opět odolává změnám, když proud vypnete. Spolu s odpory a kondenzátory jsou tři základní prvky všech obvodů. Ale opět je zde limit toho, jak malé mohou být.
Problém je v tom, že hodnota indukčnosti závisí na ploše induktoru, což je z hlediska miniaturizace zabijákem snů. Ale kromě klasické magnetické indukčnosti existuje také koncept indukčnosti kinetické energie: setrvačnosti částice přenášející proud samy o sobě brání změnám v jejich pohybu. Stejně jako mravenci v linii musí spolu „mluvit“, aby změnili svou rychlost, tyto částice přenášející proud, jako elektrony, na sebe musí vyvíjet sílu, aby zrychlily nebo zpomalit. Tento odpor vůči změnám vytváří pocit pohybu. Pod vedením Kaustav Banerjee's Nanoelectronics Research Laboratory byl nyní vyvinut induktor kinetické energie využívající grafenovou technologii: materiál s nejvyšší hustotou indukčnosti, jaký byl kdy zaznamenán.
5.) Vložte grafen do jakéhokoli zařízení. Nyní si uděláme inventuru. Máme grafen. Máme „super“ verze rezistorů, kondenzátorů a induktorů – miniaturizované, robustní, spolehlivé a účinné. Poslední překážka v ultraminiaturizační revoluci v elektronice , alespoň teoreticky, je schopnost přeměnit jakékoli zařízení (vyrobené z téměř jakéhokoli materiálu) na elektronické zařízení. Aby to bylo možné, potřebujeme pouze schopnost vložit elektroniku na bázi grafenu do jakéhokoli typu materiálu, který chceme, včetně pružných materiálů. Skutečnost, že grafen má dobrou tekutost, ohebnost, pevnost a vodivost, i když je pro člověka neškodný, je pro tento účel ideální.
V posledních několika letech byla grafenová a grafenová zařízení vyrobena způsobem, kterého bylo dosaženo pouze pomocí několika procesů, které jsou samy o sobě poměrně přísné. Obyčejný starý grafit můžete oxidovat, rozpustit ve vodě a vyrobit grafen chemickými výpary. Nanášením.Existuje však jen několik substrátů, na které lze grafen nanášet tímto způsobem. Oxid grafenu můžete chemicky redukovat, ale pokud tak učiníte, skončíte s nekvalitním grafenem.Grafen můžete vyrobit také mechanickou exfoliaci , ale to vám neumožňuje kontrolovat velikost nebo tloušťku grafenu, který vyrábíte.
Zde přichází na řadu pokrok v laserem gravírovaném grafenu. Existují dva hlavní způsoby, jak toho dosáhnout. Jedním z nich je začít s oxidem grafenu. Stejně jako dříve: vezmete grafit a oxidujete jej, ale místo toho, abyste jej chemicky redukovali, redukujete jej. s laserem. Na rozdíl od chemicky redukovaného oxidu grafenu se jedná o vysoce kvalitní produkt, který lze použít mimo jiné v superkondenzátorech, elektronických obvodech a paměťových kartách.
Můžete také použít polyimid, vysokoteplotní plast a grafen vzorovat přímo pomocí laseru. Laser rozbíjí chemické vazby v polyimidové síti a atomy uhlíku se tepelně reorganizují, aby vytvořily tenké, vysoce kvalitní grafenové listy. Polyimid ukázal spoustu potenciálních aplikací, protože pokud na něj můžete vyrýt grafenové obvody, můžete v podstatě proměnit jakýkoli tvar polyimidu na nositelnou elektroniku. Mezi ně patří:
Ale možná nejvíce vzrušující – vzhledem ke vzniku, vzestupu a všudypřítomnosti nových objevů laserem gravírovaného grafenu – je na obzoru toho, co je v současnosti možné. S laserem rytým grafenem můžete sklízet a ukládat energii: zařízení pro řízení energie .Jedním z nejkřiklavějších příkladů, kdy se technologie nedaří kupředu, jsou baterie.Dnes téměř používáme chemické složení suchých článků k ukládání elektrické energie, což je staletí stará technologie.Prototypy nových úložných zařízení, jako jsou zinko-vzduchové baterie a polovodičové baterie byly vytvořeny flexibilní elektrochemické kondenzátory.
S laserem vyrytým grafenem můžeme nejen změnit způsob ukládání energie, ale můžeme také vytvořit nositelná zařízení, která přeměňují mechanickou energii na elektřinu: triboelektrické nanogenerátory. Můžeme vytvořit pozoruhodnou organickou fotovoltaiku, která má potenciál způsobit revoluci v solární energii. mohl by také vyrábět flexibilní biopalivové články; možnosti jsou obrovské. Na hranicích shromažďování a ukládání energie jsou revoluce pouze krátkodobé.
Kromě toho by měl laserem gravírovaný grafen zahájit éru bezprecedentních senzorů. Patří sem fyzikální senzory, protože fyzikální změny (jako je teplota nebo napětí) způsobují změny elektrických vlastností, jako je odpor a impedance (které zahrnují také příspěvky kapacity a indukčnosti). ).Zahrnuje také zařízení, která detekují změny vlastností plynu a vlhkosti a – při aplikaci na lidské tělo – fyzické změny něčích životních funkcí. Například myšlenka trikordéru inspirovaného Star Trekem by mohla rychle zastarat. jednoduše připojíte náplast pro monitorování vitálních funkcí, která nás okamžitě upozorní na jakékoli znepokojivé změny v našem těle.
Tento způsob myšlení by také mohl otevřít zcela nové pole: biosenzory založené na technologii laserem rytého grafenu. Umělé hrdlo založené na laserem gravírovaném grafenu by mohlo pomoci monitorovat vibrace v krku a identifikovat rozdíly signálů mezi kašláním, bzučením, křikem, polykáním a přikyvováním. Laserem vyrytý grafen má také velký potenciál, pokud chcete vytvořit umělý bioreceptor, který dokáže zacílit na konkrétní molekuly, navrhnout různé nositelné biosenzory nebo dokonce pomoci umožnit různé telemedicínské aplikace.
Až v roce 2004 byla poprvé vyvinuta metoda výroby grafenových desek, alespoň záměrně. Během 17 let od té doby řada paralelních vylepšení konečně přinesla do popředí možnost převratu ve způsobu, jakým lidé interagují s elektronikou. Ve srovnání se všemi existujícími metodami výroby a výroby zařízení na bázi grafenu umožňuje laserem gravírovaný grafen jednoduché, masově produkovatelné, vysoce kvalitní a levné grafenové vzory v různých aplikacích, včetně změny elektroniky pokožky.
V blízké budoucnosti je rozumné očekávat pokrok v energetickém sektoru, včetně kontroly energie, získávání energie a skladování energie. V blízké budoucnosti také dojde k pokroku v senzorech, včetně fyzických senzorů, senzorů plynu a dokonce i biosenzorů. revoluce pravděpodobně přijde z nositelných zařízení, včetně zařízení pro diagnostické telemedicínské aplikace. Jistě, mnoho výzev a překážek zůstává. Tyto překážky však vyžadují spíše postupná než revoluční vylepšení. ultra-malá elektronika je větší než kdy dříve. Díky nejnovějším pokrokům v technologii grafenu je budoucnost již zde v mnoha ohledech.