novice

Skoraj vse, s čimer se srečamo v sodobnem svetu, je do neke mere odvisno od elektronike. Odkar smo prvič odkrili, kako uporabljati elektriko za ustvarjanje mehanskega dela, smo ustvarili velike in majhne naprave za tehnično izboljšanje naših življenj. Od električnih luči do pametnih telefonov, vsaka naprava ki ga razvijamo, je sestavljen iz le nekaj preprostih komponent, sestavljenih skupaj v različnih konfiguracijah. Pravzaprav se že več kot stoletje zanašamo na:
Naša sodobna elektronska revolucija se opira na te štiri vrste komponent, plus – kasneje – tranzistorje, da nam prinese skoraj vse, kar uporabljamo danes. Ko tekmujemo za miniaturiziranjem elektronskih naprav, spremljamo vedno več vidikov našega življenja in resničnosti, prenašamo več podatkov z manj energije in povežemo naše naprave med seboj, hitro naletimo na te klasične omejitve. Tehnologija. Toda v zgodnjih 2000-ih se je združilo pet napredkov, ki so začeli preoblikovati naš sodobni svet. Tukaj je, kako je vse potekalo.
1.) Razvoj grafena. Od vseh materialov, ki jih najdemo v naravi ali ustvarjenih v laboratoriju, diamant ni več najtrši material. Šest jih je trših, najtrši je grafen. Leta 2004 je grafen, kot atom debela plošča ogljika zaklenjen skupaj v heksagonalni kristalni vzorec, je bil po naključju izoliran v laboratoriju. Samo šest let po tem napredku sta njegova odkritelja Andrej Heim in Kostja Novoselov prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Ne samo, da je najtrši material, kar jih je bilo kdaj izdelano, neverjetno odporen na fizični, kemični in toplotni stres, vendar je pravzaprav popolna mreža atomov.
Grafen ima tudi fascinantne prevodne lastnosti, kar pomeni, da če bi lahko elektronske naprave, vključno s tranzistorji, izdelali iz grafena namesto iz silicija, bi lahko bile manjše in hitrejše od vsega, kar imamo danes. Če grafen vmešamo v plastiko, ga lahko spremenimo v toplotno odporen, močnejši material, ki prav tako prevaja elektriko. Poleg tega je grafen približno 98 % prozoren za svetlobo, kar pomeni, da je revolucionaren za prozorne zaslone na dotik, svetleče plošče in celo sončne celice. Kot pravi Nobelova fundacija, 11 let pred, "morda smo na robu nove miniaturizacije elektronike, ki bo vodila k temu, da bodo računalniki v prihodnosti postali učinkovitejši."
2.) Upori za površinsko montažo. To je najstarejša "nova" tehnologija in jo verjetno pozna vsak, ki je seciral računalnik ali mobilni telefon. Upor za površinsko montažo je majhen pravokoten predmet, običajno izdelan iz keramike, s prevodnimi robovi na obeh Razvoj keramike, ki se upira toku toka brez odvajanja veliko moči ali toplote, je omogočil ustvarjanje uporov, ki so boljši od starejših tradicionalnih uporov, ki so se uporabljali prej: aksialni svinčeni upori.
Zaradi teh lastnosti je idealen za uporabo v sodobni elektroniki, zlasti napravah z nizko porabo energije in mobilnimi napravami. Če potrebujete upor, lahko uporabite enega od teh SMD (naprav za površinsko montažo), da zmanjšate velikost uporov, ki jih potrebujete, ali povečate moč, ki jo lahko uporabite zanje znotraj istih omejitev velikosti.
3.) Superkondenzatorji. Kondenzatorji so ena najstarejših elektronskih tehnologij. Temeljijo na preprosti postavitvi, pri kateri sta dve prevodni površini (plošči, valji, sferične lupine itd.) ločeni druga od druge z majhno razdaljo in obe površine lahko ohranijo enake in nasprotne naboje. Ko poskusite speljati tok skozi kondenzator, se napolni in ko izklopite tok ali povežete obe plošči, se kondenzator izprazni. Kondenzatorji imajo širok spekter uporabe, vključno s shranjevanjem energije, hiter izbruh sproščene energije in piezoelektrična elektronika, kjer spremembe tlaka naprave ustvarjajo električne signale.
Seveda izdelava več plošč, ločenih z majhnimi razdaljami v zelo, zelo majhnem obsegu, ni samo zahtevna, ampak je bistveno omejena. Nedavni napredek v materialih – zlasti kalcijev bakrov titanat (CCTO) – lahko shrani velike količine naboja v majhne prostore: superkondenzatorji. Te miniaturizirane naprave je mogoče večkrat napolniti in izprazniti, preden se obrabijo; hitrejše polnjenje in praznjenje; in shranijo 100-krat več energije na enoto prostornine kot starejši kondenzatorji. So tehnologija, ki spreminja igro, ko gre za miniaturizacijo elektronike.
4.) Super induktorji. Kot zadnji od »velikih treh« je superinduktor zadnji igralec, ki bo izšel do leta 2018. Induktor je v bistvu tuljava s tokom, ki se uporablja z magnetnim jedrom. Induktorji nasprotujejo spremembam v svojem notranjem magnetnem polje, kar pomeni, da se, če poskušate skozenj prepustiti toku, nekaj časa upira, nato pusti, da tok prosto teče skozenj, in se končno znova upre spremembam, ko tok izklopite. Skupaj z upori in kondenzatorji so trije osnovni elementi vseh tokokrogov. Toda spet obstaja omejitev, kako majhni so lahko.
Težava je v tem, da je vrednost induktivnosti odvisna od površine induktorja, ki je ubijalec sanj v smislu miniaturizacije. Toda poleg klasične magnetne induktivnosti obstaja tudi koncept induktivnosti kinetične energije: vztrajnost delci, po katerih teče tok, sami preprečujejo spremembe v njihovem gibanju. Tako kot se morajo mravlje v vrsti »pogovarjati« med seboj, da spremenijo svojo hitrost, morajo ti delci, po katerih teče tok, tako kot elektroni, izvajati silo drug na drugega, da pospešijo ali upočasni. Ta odpor proti spremembam ustvarja občutek gibanja. Pod vodstvom raziskovalnega laboratorija za nanoelektroniko Kaustava Banerjeeja je bil zdaj razvit induktor kinetične energije, ki uporablja tehnologijo grafena: material z najvišjo gostoto induktivnosti, kar je bilo kdaj zabeleženo.
5.) Vstavite grafen v katero koli napravo. Zdaj pa poglejmo. Imamo grafen. Imamo "super" različice uporov, kondenzatorjev in induktorjev – miniaturne, robustne, zanesljive in učinkovite. Zadnja ovira v revoluciji ultra-miniaturizacije v elektroniki , vsaj v teoriji, je zmožnost spremeniti katero koli napravo (narejeno iz skoraj katerega koli materiala) v elektronsko napravo. Da bi to omogočili, potrebujemo le sposobnost vdelave elektronike na osnovi grafena v katero koli vrsto materiala, ki ga želimo, vključno s prožnimi materiali. Dejstvo, da ima grafen dobro fluidnost, prožnost, moč in prevodnost, hkrati pa je neškodljiv za ljudi, je idealen za ta namen.
V zadnjih nekaj letih so grafen in grafenske naprave izdelovali na način, ki je bil dosežen le s peščico postopkov, ki so sami po sebi dokaj strogi. Lahko oksidirate navaden star grafit, ga raztopite v vodi in naredite grafen s kemičnimi hlapi nanos. Vendar obstaja le nekaj podlag, na katere je mogoče nanesti grafen na ta način. Grafenov oksid lahko kemično zmanjšate, a če to storite, boste na koncu dobili grafen slabe kakovosti. Grafen lahko proizvedete tudi z mehanskim luščenjem , vendar vam to ne omogoča nadzora nad velikostjo ali debelino grafena, ki ga proizvajate.
Tukaj nastopi napredek lasersko graviranega grafena. To lahko dosežete na dva glavna načina. Eden je, da začnete z grafenovim oksidom. Enako kot prej: vzamete grafit in ga oksidirate, vendar ga namesto kemične redukcije reducirate. z laserjem. Za razliko od kemično reduciranega grafenovega oksida je to visokokakovosten izdelek, ki se lahko med drugim uporablja v superkondenzatorjih, elektronskih vezjih in pomnilniških karticah.
Uporabite lahko tudi poliimid, visokotemperaturno plastiko, in vzorčite grafen neposredno z laserjem. Laser prekine kemične vezi v mreži poliimida in ogljikovi atomi se termično reorganizirajo, da tvorijo tanke, visokokakovostne grafenske plošče. Poliimid je pokazal tono potencialnih aplikacij, kajti če lahko nanj vgravirate grafenska vezja, lahko v bistvu spremenite katero koli obliko poliimida v nosljivo elektroniko. Če jih naštejemo le nekaj, to vključuje:
Toda morda najbolj vznemirljivo – glede na pojav, porast in vseprisotnost novih odkritij lasersko graviranega grafena – je na obzorju tega, kar je trenutno mogoče. Z lasersko graviranim grafenom lahko pridobivate in shranjujete energijo: naprava za nadzor energije .Eden najbolj očitnih primerov neuspešne tehnologije so baterije. Danes za shranjevanje električne energije skorajda uporabljamo suhe celice, kar je stoletja stara tehnologija. Prototipi novih naprav za shranjevanje, kot so cink-zrak baterije in polprevodniške baterije so bili ustvarjeni prožni elektrokemični kondenzatorji.
Z lasersko vgraviranim grafenom ne samo, da lahko revolucioniramo način shranjevanja energije, ampak lahko ustvarimo tudi nosljive naprave, ki pretvarjajo mehansko energijo v elektriko: triboelektrične nanogeneratorje. Ustvarimo lahko izjemne organske fotovoltaike, ki imajo potencial za revolucijo sončne energije. lahko izdeluje tudi prožne biogorivne celice; možnosti so ogromne. Na mejah zbiranja in shranjevanja energije so vse revolucije kratkoročne.
Poleg tega naj bi lasersko vgraviran grafen začel dobo senzorjev brez primere. To vključuje fizične senzorje, saj fizične spremembe (kot so temperatura ali napetost) povzročijo spremembe električnih lastnosti, kot sta upor in impedanca (ki vključujeta tudi prispevke kapacitivnosti in induktivnosti ).Vključuje tudi naprave, ki zaznavajo spremembe v lastnostih plinov in vlažnosti ter – ko jih uporabimo za človeško telo – fizične spremembe vitalnih znakov osebe. preprosto pritrdite obliž za spremljanje vitalnih znakov, ki nas takoj opozori na kakršne koli zaskrbljujoče spremembe v našem telesu.
To razmišljanje bi lahko odprlo tudi povsem novo področje: biosenzorji, ki temeljijo na tehnologiji lasersko graviranega grafena. Umetno grlo, ki temelji na lasersko graviranem grafenu, bi lahko pomagalo pri spremljanju tresljajev v grlu, prepoznavanju razlik v signalih med kašljanjem, brnenjem, kričanjem, požiranjem in kimanjem. Lasersko vgraviran grafen ima tudi velik potencial, če želite ustvariti umetni bioreceptor, ki lahko cilja na specifične molekule, oblikuje različne nosljive biosenzorje ali celo pomaga pri omogočanju različnih telemedicinskih aplikacij.
Šele leta 2004 je bila prvič razvita metoda izdelave grafenskih plošč, vsaj namerno. V 17 letih od takrat je vrsta vzporednih napredkov končno postavila v ospredje možnost revolucioniranja načina interakcije ljudi z elektroniko. V primerjavi z vsemi obstoječimi metodami proizvodnje in izdelave naprav, ki temeljijo na grafenu, lasersko vgraviran grafen omogoča preproste, masovno izdelljive, visokokakovostne in poceni vzorce grafena v različnih aplikacijah, vključno s spremembo kožne elektronike.
V bližnji prihodnosti je smiselno pričakovati napredek v energetskem sektorju, vključno z nadzorom energije, pridobivanjem energije in shranjevanjem energije. Prav tako v bližnji prihodnosti napredek senzorjev, vključno s fizičnimi senzorji, plinskimi senzorji in celo biosenzorji. revolucijo bodo verjetno prinesli nosljivi izdelki, vključno z napravami za diagnostične telemedicinske aplikacije. Res je, veliko izzivov in ovir ostaja. Toda te ovire zahtevajo postopne in ne revolucionarne izboljšave. Ker povezane naprave in internet stvari še naprej rastejo, potreba po ultra-majhna elektronika je večja kot kdaj koli prej. Z najnovejšim napredkom v tehnologiji grafena je prihodnost v mnogih pogledih že tukaj.