nyheder

Næsten alt, hvad vi møder i den moderne verden, er til en vis grad afhængig af elektronik. Siden vi først opdagede, hvordan man bruger elektricitet til at generere mekanisk arbejde, har vi skabt store og små enheder for teknisk at forbedre vores liv. Fra elektriske lys til smartphones, alle enheder vi udvikler består af blot nogle få enkle komponenter, der er syet sammen i forskellige konfigurationer. Faktisk har vi i over et århundrede stolet på:
Vores moderne elektronikrevolution er afhængig af disse fire typer komponenter, plus – senere – transistorer, for at bringe os næsten alt, hvad vi bruger i dag. Efterhånden som vi ræser om at miniaturisere elektroniske enheder, overvåge flere og flere aspekter af vores liv og virkelighed, transmittere flere data med mindre strøm og forbinder vores enheder til hinanden, støder vi hurtigt på disse klassiske begrænsninger. Teknologi. Men i begyndelsen af ​​2000'erne kom fem fremskridt alle sammen, og de er begyndt at transformere vores moderne verden. Her er, hvordan det hele gik.
1.) Udvikling af grafen. Af alle de materialer, der findes i naturen eller fremstillet i laboratoriet, er diamant ikke længere det hårdeste materiale. Der er seks hårdere, det sværeste er grafen. I 2004, grafen, en atomtyk plade af kulstof låst sammen i et sekskantet krystalmønster, blev ved et uheld isoleret i laboratoriet.Kun seks år efter dette fremskridt blev dets opdagere Andrei Heim og Kostya Novoselov tildelt Nobelprisen i fysik. Ikke alene er det det hårdeste materiale, der nogensinde er fremstillet, det er utroligt modstandsdygtigt overfor fysisk, kemisk og termisk stress, men det er faktisk et perfekt gitter af atomer.
Grafen har også fascinerende ledende egenskaber, hvilket betyder, at hvis elektroniske enheder, herunder transistorer, kunne fremstilles af grafen i stedet for silicium, kunne de potentielt være mindre og hurtigere end noget, vi har i dag. Hvis grafen blandes i plastik, kan det omdannes til et varmebestandigt, stærkere materiale, der også leder elektricitet.Derudover er grafen omkring 98 % gennemsigtigt for lys, hvilket betyder, at det er revolutionerende til gennemsigtige berøringsskærme, lysemitterende paneler og endda solceller.Som Nobelfonden udtrykte det 11 år siden, "måske er vi på randen af ​​endnu en miniaturisering af elektronik, der vil føre til, at computere bliver mere effektive i fremtiden."
2.) Overflademonteringsmodstande. Dette er den ældste "nye" teknologi og er sandsynligvis kendt for alle, der har dissekeret en computer eller mobiltelefon. En overflademonteringsmodstand er en lille rektangulær genstand, normalt lavet af keramik, med ledende kanter på begge ends.Udviklingen af ​​keramik, som modstår strømmen uden at sprede megen strøm eller varme, har gjort det muligt at skabe modstande, der er overlegne i forhold til de ældre traditionelle modstande, der blev brugt før: aksiale blymodstande.
Disse egenskaber gør den ideel til brug i moderne elektronik, især laveffekt og mobile enheder. Hvis du har brug for en modstand, kan du bruge en af ​​disse SMD'er (surface mount devices) til at reducere den størrelse, du har brug for til modstandene, eller for at øge den magt, du kan anvende på dem inden for samme størrelsesbegrænsninger.
3.) Superkondensatorer.Kondensatorer er en af ​​de ældste elektroniske teknologier.De er baseret på en simpel opsætning, hvor to ledende overflader (plader, cylindre, sfæriske skaller osv.) er adskilt fra hinanden med en lille afstand, og de to overflader er i stand til at opretholde ens og modsatte ladninger.Når du forsøger at føre strøm gennem kondensatoren oplades den, og når du slukker for strømmen eller forbinder de to plader, aflades kondensatoren.Kondensatorer har en bred vifte af anvendelser, herunder energilagring, en hurtig udbrud af frigivet energi og piezoelektrisk elektronik, hvor ændringer i enhedstryk genererer elektriske signaler.
At lave flere plader adskilt af små afstande i en meget, meget lille skala er selvfølgelig ikke kun udfordrende, men fundamentalt begrænset. Nylige fremskridt inden for materialer – især calciumkobbertitanat (CCTO) – kan lagre store mængder ladning i bittesmå rum: superkondensatorer. Disse miniaturiserede enheder kan oplades og aflades flere gange, før de bliver slidt; opladning og afladning hurtigere; og lagre 100 gange energien pr. volumenhed af ældre kondensatorer. De er en teknologi, der ændrer spil, når det kommer til miniaturisering af elektronik.
4.) Superinduktorer. Som den sidste af de "tre store" er superinduktoren den seneste spiller, der kommer ud indtil 2018. En induktor er dybest set en spole med en strøm, der bruges med en magnetiserbar kerne. Induktorer er imod ændringer i deres indre magnetiske felt, hvilket betyder, at hvis du prøver at lade strøm flyde igennem det, modstår det et stykke tid, lader strømmen flyde frit igennem det og modstår til sidst ændringer igen, når du slukker for strømmen. Sammen med modstande og kondensatorer er de tre grundlæggende elementer i alle kredsløb. Men igen, der er en grænse for, hvor små de kan blive.
Problemet er, at induktansværdien afhænger af induktorens overfladeareal, som er en drømmedræber med hensyn til miniaturisering. Men ud over den klassiske magnetiske induktans er der også begrebet kinetisk energiinduktans: inertien af de strømførende partikler forhindrer i sig selv ændringer i deres bevægelse. Ligesom myrer i en linje skal "tale" med hinanden for at ændre deres hastighed, skal disse strømførende partikler ligesom elektroner udøve en kraft på hinanden for at accelerere eller sænke farten.Denne modstand mod forandring skaber en følelse af bevægelse.Under ledelse af Kaustav Banerjee's Nanoelectronics Research Laboratory er der nu udviklet en kinetisk energiinduktor, der bruger grafenteknologi: det højeste induktanstæthedsmateriale, der nogensinde er registreret.
5.) Sæt grafen i enhver enhed. Lad os nu gøre status. Vi har grafen. Vi har "super" versioner af modstande, kondensatorer og induktorer - miniaturiserede, robuste, pålidelige og effektive. Den sidste forhindring i ultraminiaturiseringsrevolutionen inden for elektronik , i det mindste i teorien, er evnen til at omdanne enhver enhed (lavet af næsten ethvert materiale) til en elektronisk enhed. For at gøre dette muligt, er alt, hvad vi behøver, evnen til at integrere grafen-baseret elektronik i enhver type materiale, vi ønsker, herunder fleksible materialer. Det faktum, at grafen har god flydende, fleksibilitet, styrke og ledningsevne, samtidig med at det er uskadeligt for mennesker, gør det ideelt til dette formål.
I de sidste par år er grafen- og grafenanordninger blevet fremstillet på en måde, der kun er opnået gennem en håndfuld processer, der i sig selv er ret strenge. Du kan oxidere almindelig gammel grafit, opløse den i vand og fremstille grafen ved hjælp af kemisk damp aflejring. Der er dog kun få substrater, hvorpå grafen kan aflejres på denne måde. Du kan kemisk reducere grafenoxid, men hvis du gør det, ender du med grafen af ​​dårlig kvalitet. Du kan også fremstille grafen ved mekanisk eksfoliering , men dette giver dig ikke mulighed for at kontrollere størrelsen eller tykkelsen af ​​den grafen, du producerer.
Det er her fremskridt inden for lasergraveret grafen kommer ind. Der er to hovedmåder at opnå dette på. Den ene er at starte med grafenoxid. Samme som før: du tager grafit og oxiderer det, men i stedet for at reducere det kemisk, reducerer du det med en laser.I modsætning til kemisk reduceret grafenoxid er det et højkvalitetsprodukt, der blandt andet kan bruges i superkondensatorer, elektroniske kredsløb og hukommelseskort.
Du kan også bruge polyimid, en højtemperaturplastik og mønstergrafen direkte med en laser. Laseren bryder kemiske bindinger i polyimidnetværket, og kulstofatomerne omorganiserer sig selv termisk til at danne tynde grafenplader af høj kvalitet. Polyimid har vist et væld af potentielle anvendelser, for hvis du kan gravere grafenkredsløb på det, kan du stort set omdanne enhver form af polyimid til bærbar elektronik. Disse, for at nævne nogle få, omfatter:
Men måske mest spændende – i betragtning af fremkomsten, stigningen og allestedsnærværelsen af ​​nye opdagelser af lasergraveret grafen – er på horisonten af, hvad der i øjeblikket er muligt. Med lasergraveret grafen kan du høste og lagre energi: en energikontrollerende enhed .Et af de mest uhyggelige eksempler på teknologi, der ikke udvikler sig, er batterier. I dag bruger vi næsten tørcellekemi til at lagre elektrisk energi, en århundreder gammel teknologi. Prototyper af nye lagringsenheder, såsom zink-luft-batterier og solid-state fleksible elektrokemiske kondensatorer, er blevet skabt.
Med lasergraveret grafen kan vi ikke kun revolutionere den måde, vi lagrer energi på, men vi kan også skabe bærbare enheder, der konverterer mekanisk energi til elektricitet: triboelektriske nanogeneratorer. Vi kan skabe bemærkelsesværdige organiske solceller, der har potentialet til at revolutionere solenergi. kunne også lave fleksible biobrændselsceller; mulighederne er enorme. På grænsen til at indsamle og lagre energi er revolutioner alle på kort sigt.
Desuden bør lasergraveret grafen indlede en æra med hidtil usete sensorer. Dette inkluderer fysiske sensorer, da fysiske ændringer (såsom temperatur eller belastning) forårsager ændringer i elektriske egenskaber såsom modstand og impedans (som også inkluderer bidrag fra kapacitans og induktans) ).Det omfatter også enheder, der registrerer ændringer i gasegenskaber og fugtighed, og - når de påføres den menneskelige krop - fysiske ændringer i en persons vitale tegn. For eksempel kan ideen om en Star Trek-inspireret tricorder hurtigt blive forældet ved at blot ved at vedhæfte et plaster til overvågning af vitale tegn, der øjeblikkeligt advarer os om eventuelle bekymrende ændringer i vores kroppe.
Denne tankegang kunne også åbne op for et helt nyt felt: biosensorer baseret på lasergraveret grafenteknologi. En kunstig hals baseret på lasergraveret grafen kunne hjælpe med at overvåge halsvibrationer og identificere signalforskelle mellem hoste, summen, skrigen, synke og nikke bevægelser.Lasergraveret grafen rummer også et stort potentiale, hvis du vil skabe en kunstig bioreceptor, der kan målrette mod specifikke molekyler, designe forskellige bærbare biosensorer eller endda hjælpe med at muliggøre forskellige telemedicinske applikationer.
Det var først i 2004, at en metode til fremstilling af grafenplader, i det mindste med vilje, først blev udviklet. I de 17 år, der er gået siden, har en række parallelle fremskridt endelig bragt muligheden for at revolutionere den måde, mennesker interagerer med elektronik på. Sammenlignet med alle eksisterende metoder til fremstilling og fremstilling af grafen-baserede enheder, muliggør lasergraveret grafen enkle, masseproducerbare, højkvalitets og billige grafenmønstre i en række applikationer, herunder hudelektronikændring.
I den nærmeste fremtid er det rimeligt at forvente fremskridt i energisektoren, herunder energistyring, energihøst og energilagring. Også på kort sigt er fremskridt inden for sensorer, herunder fysiske sensorer, gassensorer og endda biosensorer. revolutionen kommer sandsynligvis fra wearables, herunder enheder til diagnostiske telemedicinske applikationer. Der er ganske vist mange udfordringer og hindringer tilbage. Men disse forhindringer kræver gradvise snarere end revolutionære forbedringer. Efterhånden som tilsluttede enheder og tingenes internet fortsætter med at vokse, er behovet for ultra-lille elektronik er større end nogensinde. Med de seneste fremskridt inden for grafenteknologi er fremtiden allerede her på mange måder.