новини

Почти всичко, с което се сблъскваме в съвременния свят, до известна степен разчита на електроника. Откакто за първи път открихме как да използваме електричество за генериране на механична работа, създадохме големи и малки устройства, за да подобрим технически живота си. От електрически лампи до смартфони, всяко устройство ние разработваме се състои само от няколко прости компонента, зашити заедно в различни конфигурации. Всъщност повече от век ние разчитаме на:
Нашата модерна революция в електрониката разчита на тези четири вида компоненти, плюс – по-късно – транзистори, за да ни донесе почти всичко, което използваме днес. Докато се надпреварваме да миниатюризираме електронните устройства, наблюдаваме все повече и повече аспекти от нашия живот и реалност, предаваме повече данни с по-малко енергия и да свързваме устройствата си едно с друго, бързо се натъкваме на тези ограничения на класиката. Технология. Но в началото на 2000-те пет напредъка се обединиха и започнаха да трансформират съвременния ни свят. Ето как стана всичко.
1.) Разработване на графен. От всички материали, открити в природата или създадени в лабораторията, диамантът вече не е най-твърдият материал. Има шест по-твърди, като най-твърдият е графенът. През 2004 г. графенът, лист от въглерод с дебелина на атом заключени заедно в шестоъгълен кристален модел, беше случайно изолиран в лабораторията. Само шест години след този напредък неговите откриватели Андрей Хейм и Костя Новоселов бяха удостоени с Нобелова награда по физика. Не само, че това е най-твърдият материал, създаван някога, невероятно издръжлив на физически, химичен и топлинен стрес, но всъщност е перфектна решетка от атоми.
Графенът също има удивителни проводими свойства, което означава, че ако електронните устройства, включително транзисторите, могат да бъдат направени от графен вместо от силиций, те потенциално биха могли да бъдат по-малки и по-бързи от всичко, което имаме днес. Ако графенът се смеси с пластмаса, той може да се превърне в устойчив на топлина, по-здрав материал, който също така провежда електричество. Освен това графенът е около 98% прозрачен за светлина, което означава, че е революционен за прозрачни сензорни екрани, светлоизлъчващи панели и дори слънчеви клетки. Както каза Нобеловата фондация 11 години преди, „може би сме на ръба на друга миниатюризация на електрониката, която ще доведе до по-ефективни компютри в бъдеще“.
2.) Резистори за повърхностен монтаж. Това е най-старата „нова“ технология и вероятно е позната на всеки, който е правил дисекция на компютър или мобилен телефон. Резисторът за повърхностен монтаж е малък правоъгълен предмет, обикновено изработен от керамика, с проводими ръбове и на двете Развитието на керамиката, която издържа на потока на ток, без да разсейва много енергия или топлина, направи възможно създаването на резистори, които са по-добри от по-старите традиционни резистори, използвани преди: аксиални водещи резистори.
Тези свойства го правят идеален за използване в съвременната електроника, особено в устройства с ниска мощност и мобилни устройства. Ако имате нужда от резистор, можете да използвате едно от тези SMD (устройства за повърхностен монтаж), за да намалите размера, от който се нуждаете за резисторите, или да увеличите силата, която можете да приложите към тях в рамките на същите ограничения на размера.
3.) Суперкондензатори. Кондензаторите са една от най-старите електронни технологии. Те се основават на проста настройка, при която две проводими повърхности (плочи, цилиндри, сферични черупки и т.н.) са разделени една от друга на малко разстояние и двете повърхностите са в състояние да поддържат еднакви и противоположни заряди. Когато се опитате да прекарате ток през кондензатора, той се зарежда и когато изключите тока или свържете двете пластини, кондензаторът се разрежда. Кондензаторите имат широк спектър от приложения, включително съхранение на енергия, бърз изблик на освободена енергия и пиезоелектрична електроника, където промените в налягането на устройството генерират електрически сигнали.
Разбира се, създаването на множество плочи, разделени на малки разстояния в много, много малък мащаб е не само предизвикателство, но и фундаментално ограничено. Последните постижения в материалите - особено калциев меден титанат (CCTO) - могат да съхраняват големи количества заряд в малки пространства: суперкондензатори. Тези миниатюрни устройства могат да се зареждат и разреждат многократно, преди да се износят; зареждане и разреждане по-бързо; и съхраняват 100 пъти повече енергия на единица обем от по-старите кондензатори. Те са технология, променяща играта, когато става въпрос за миниатюризиране на електрониката.
4.) Супер индуктори. Като последният от „голямата тройка“, супериндукторът е най-новият играч, който ще излезе до 2018 г. Индукторът е основно намотка с ток, използвана с магнетизираща се сърцевина. Индукторите се противопоставят на промените във вътрешния им магнитен поле, което означава, че ако се опитате да оставите ток да тече през него, той се съпротивлява за известно време, след това позволява на тока да тече свободно през него и накрая отново се съпротивлява на промените, когато изключите тока. Заедно с резисторите и кондензаторите, те са три основни елемента на всички вериги. Но отново има ограничение за това колко малки могат да станат.
Проблемът е, че стойността на индуктивността зависи от повърхностната площ на индуктора, което е убиец на мечти по отношение на миниатюризацията. Но в допълнение към класическата магнитна индуктивност, има и концепцията за индуктивност на кинетичната енергия: инерцията на самите частици, пренасящи ток, предотвратяват промени в тяхното движение. Точно както мравките в една линия трябва да „говорят“ помежду си, за да променят скоростта си, тези частици, пренасящи ток, като електрони, трябва да упражняват сила една върху друга, за да ускорят или забавете. Тази устойчивост на промяна създава усещане за движение. Под ръководството на лабораторията за изследване на наноелектрониката на Каустав Банерджи е разработен индуктор за кинетична енергия, използващ графенова технология: материалът с най-висока плътност на индуктивност, регистриран някога.
5.) Поставете графен във всяко устройство. Сега нека направим равносметка. Имаме графен. Имаме „супер“ версии на резистори, кондензатори и индуктори – миниатюризирани, здрави, надеждни и ефективни. Последното препятствие в революцията на ултраминиатюризацията в електрониката , поне на теория, е способността да превърнете всяко устройство (направено от почти всякакъв материал) в електронно устройство. За да направим това възможно, всичко, от което се нуждаем, е способността да вграждаме базирана на графен електроника във всеки тип материал, който искаме, включително гъвкави материали. Фактът, че графенът има добра течливост, гъвкавост, здравина и проводимост, като същевременно е безвреден за хората, го прави идеален за тази цел.
През последните няколко години графенът и графеновите устройства бяха произведени по начин, който беше постигнат само чрез няколко процеса, които сами по себе си са доста строги. Можете да окислите обикновен стар графит, да го разтворите във вода и да направите графен чрез химически изпарения отлагане. Въпреки това има само няколко субстрата, върху които графенът може да се отложи по този начин. Можете да редуцирате графеновия оксид химически, но ако го направите, ще получите графен с лошо качество. Можете също така да произвеждате графен чрез механично ексфолиране , но това не ви позволява да контролирате размера или дебелината на графена, който произвеждате.
Тук идва напредъкът в лазерно гравирания графен. Има два основни начина да постигнете това. Единият е да започнете с графенов оксид. Същото като преди: взимате графит и го окислявате, но вместо да го редуцирате химически, вие го редуцирате с лазер. За разлика от химически редуцирания графенов оксид, той е висококачествен продукт, който може да се използва в суперкондензатори, електронни схеми и карти с памет, наред с други.
Можете също така да използвате полиимид, високотемпературна пластмаса и графен директно с лазер. Лазерът разрушава химичните връзки в полиимидната мрежа и въглеродните атоми термично се реорганизират, за да образуват тънки, висококачествени графенови листове. Полиимидът показа много потенциални приложения, защото ако можете да гравирате графенови вериги върху него, можете основно да превърнете всяка форма на полиимид в носима електроника. Те, за да назовем няколко, включват:
Но може би най-вълнуващото – предвид появата, възхода и повсеместното разпространение на нови открития на лазерно гравиран графен – е на хоризонта на това, което е възможно в момента. С лазерно гравиран графен можете да събирате и съхранявате енергия: устройство за контролиране на енергията .Един от най-фрапиращите примери за неуспех на технологията са батериите. Днес почти използваме химикали със сухи клетки за съхраняване на електрическа енергия, вековна технология. Прототипи на нови устройства за съхранение, като цинково-въздушни батерии и твърдотелни са създадени гъвкави електрохимични кондензатори.
С лазерно гравиран графен не само можем да революционизираме начина, по който съхраняваме енергия, но можем също да създадем носими устройства, които преобразуват механичната енергия в електричество: трибоелектрически наногенератори. Можем да създадем забележителни органични фотоволтаици, които имат потенциала да революционизират слънчевата енергия. също може да направи гъвкави клетки за биогорива; възможностите са огромни. На границите на събирането и съхраняването на енергия всички революции са в краткосрочен план.
Освен това, лазерно гравираният графен трябва да постави началото на ера на безпрецедентни сензори. Това включва физически сензори, тъй като физическите промени (като температура или напрежение) причиняват промени в електрическите свойства като съпротивление и импеданс (които също включват приноса на капацитета и индуктивността ).Той също така включва устройства, които откриват промени в свойствата на газа и влажността и – когато се прилагат върху човешкото тяло – физически промени в нечии жизнени показатели. Например идеята за трикодер, вдъхновен от Стар Трек, може бързо да остарее от просто прикрепете пластир за наблюдение на жизнените показатели, който незабавно ни предупреждава за всякакви тревожни промени в тялото ни.
Тази линия на мислене може също така да отвори изцяло нова област: биосензори, базирани на лазерно гравирана графенова технология. Изкуствено гърло, базирано на лазерно гравиран графен, може да помогне за наблюдение на вибрациите на гърлото, като идентифицира разликите в сигнала между кашлица, бръмчене, крещи, преглъщане и кимане движения. Лазерно гравираният графен също има голям потенциал, ако искате да създадете изкуствен биорецептор, който може да се насочва към специфични молекули, да проектира различни носими биосензори или дори да помогне за активирането на различни телемедицински приложения.
Едва през 2004 г. за първи път беше разработен метод за производство на графенови листове, поне умишлено. През 17-те години оттогава серия от паралелни постижения най-накрая изведе на преден план възможността за революционизиране на начина, по който хората взаимодействат с електрониката. В сравнение с всички съществуващи методи за производство и производство на устройства, базирани на графен, лазерно гравираният графен позволява прости, масово произвеждани, висококачествени и евтини графенови модели в различни приложения, включително промяна на електрониката на кожата.
В близко бъдеще е разумно да се очаква напредък в енергийния сектор, включително енергиен контрол, събиране на енергия и съхранение на енергия. Също така в близко бъдеще има напредък в сензорите, включително физически сензори, газови сензори и дори биосензори. революцията вероятно ще дойде от носими устройства, включително устройства за диагностични телемедицински приложения. Със сигурност остават много предизвикателства и препятствия. Но тези пречки изискват постепенни, а не революционни подобрения. Тъй като свързаните устройства и интернет на нещата продължават да растат, необходимостта от ултра-малката електроника е по-голяма от всякога. С най-новите постижения в графеновата технология, бъдещето вече е тук по много начини.