Nyheter

Nästan allt vi möter i den moderna världen är till viss del beroende av elektronik. Sedan vi först upptäckte hur man använder elektricitet för att generera mekaniskt arbete, har vi skapat stora och små enheter för att tekniskt förbättra våra liv. Från elektriska lampor till smartphones, alla enheter vi utvecklar består av bara några enkla komponenter som sys ihop i olika konfigurationer. Faktum är att vi i över ett sekel har förlitat oss på:
Vår moderna elektronikrevolution är beroende av dessa fyra typer av komponenter, plus – senare – transistorer, för att ge oss nästan allt vi använder idag. När vi tävlar för att miniatyrisera elektroniska enheter, övervaka fler och fler aspekter av våra liv och verklighet, överföra mer data med mindre ström och ansluter våra enheter till varandra, stöter vi snabbt på dessa klassiska gränser. Teknik. Men i början av 2000-talet kom fem framsteg alla tillsammans, och de har börjat förändra vår moderna värld. Så här gick det till.
1.) Utveckling av grafen. Av alla material som finns i naturen eller skapade i labbet är diamant inte längre det hårdaste materialet. Det finns sex hårdare, det svåraste är grafen. År 2004, grafen, en atomtjock skiva av kol låst ihop i ett sexkantigt kristallmönster, isolerades av misstag i labbet. Bara sex år efter detta framsteg tilldelades dess upptäckare Andrei Heim och Kostya Novoselov Nobelpriset i fysik. Det är inte bara det hårdaste materialet som någonsin gjorts, det är otroligt motståndskraftigt mot fysisk, kemisk och termisk stress, men det är faktiskt ett perfekt gitter av atomer.
Grafen har också fascinerande ledande egenskaper, vilket innebär att om elektroniska enheter, inklusive transistorer, kunde tillverkas av grafen istället för kisel, skulle de potentiellt kunna vara mindre och snabbare än allt vi har idag. Om grafen blandas in i plast kan det förvandlas till ett värmebeständigt, starkare material som också leder elektricitet. Dessutom är grafen cirka 98 % transparent för ljus, vilket betyder att det är revolutionerande för transparenta pekskärmar, ljusavgivande paneler och till och med solceller. Som Nobelstiftelsen uttryckte det 11 år sedan, "kanske är vi på gränsen till ännu en miniatyrisering av elektronik som kommer att leda till att datorer blir mer effektiva i framtiden."
2.) Ytmonteringsmotstånd. Detta är den äldsta "nya" tekniken och är förmodligen bekant för alla som har dissekerat en dator eller mobiltelefon. Ett ytmonteringsmotstånd är ett litet rektangulärt föremål, vanligtvis tillverkat av keramik, med ledande kanter på båda ends.Utvecklingen av keramik, som motstår strömflödet utan att avleda mycket kraft eller värme, har gjort det möjligt att skapa resistorer som är överlägsna de äldre traditionella resistorer som användes tidigare: axiella blymotstånd.
Dessa egenskaper gör den idealisk för användning i modern elektronik, särskilt lågeffekts- och mobila enheter. Om du behöver ett motstånd kan du använda en av dessa SMD:er (surface mount devices) för att minska storleken du behöver för motstånden, eller för att öka kraften du kan använda för dem inom samma storleksbegränsningar.
3.) Superkondensatorer.Kondensatorer är en av de äldsta elektroniska teknologierna.De är baserade på en enkel uppsättning där två ledande ytor (plattor, cylindrar, sfäriska skal, etc.) är separerade från varandra med ett litet avstånd, och de två ytor kan upprätthålla lika och motsatta laddningar. När du försöker föra ström genom kondensatorn laddas den och när du stänger av strömmen eller kopplar ihop de två plattorna laddas kondensatorn ur.Kondensatorer har ett brett utbud av tillämpningar, inklusive energilagring, en snabb explosion av frigjord energi och piezoelektrisk elektronik, där ändringar i enhetstryck genererar elektriska signaler.
Att göra flera plattor åtskilda av små avstånd i mycket, mycket liten skala är naturligtvis inte bara utmanande utan i grunden begränsat. Nya framsteg inom material – särskilt kalciumkoppartitanat (CCTO) – kan lagra stora mängder laddning i små utrymmen: superkondensatorer. Dessa miniatyriserade enheter kan laddas och laddas ur flera gånger innan de slits ut;ladda och ladda ur snabbare;och lagrar 100 gånger energin per volymenhet av äldre kondensatorer. De är en teknik som förändrar spelet när det kommer till miniatyrisering av elektronik.
4.) Superinduktorer. Som den sista av de "tre stora" är superinduktorn den senaste spelaren som kommit ut till 2018. En induktor är i grunden en spole med en ström som används med en magnetiserbar kärna. Induktorer motsätter sig förändringar i deras interna magnetiska fältet, vilket innebär att om du försöker låta ström flyta genom det, det gör motstånd ett tag, låter sedan ström flöda fritt genom det och motstår slutligen förändringar igen när du stänger av strömmen. Tillsammans med motstånd och kondensatorer är de tre grundläggande element i alla kretsar. Men återigen, det finns en gräns för hur små de kan bli.
Problemet är att induktansvärdet beror på induktorns yta, vilket är en drömdödare när det gäller miniatyrisering. Men förutom den klassiska magnetiska induktansen finns det också begreppet kinetisk energiinduktans: trögheten hos de strömförande partiklarna själva förhindrar förändringar i deras rörelse. Precis som myror i en linje måste "prata" med varandra för att ändra sin hastighet, behöver dessa strömförande partiklar, liksom elektroner, utöva en kraft på varandra för att öka hastigheten eller sakta ner. Detta motstånd mot förändring skapar en känsla av rörelse. Under ledning av Kaustav Banerjee's Nanoelectronics Research Laboratory har en kinetisk energiinduktor som använder grafenteknologi nu utvecklats: det högsta induktanstäthetsmaterialet som någonsin registrerats.
5.) Sätt grafen i vilken enhet som helst. Låt oss nu göra en inventering. Vi har grafen. Vi har "super" versioner av motstånd, kondensatorer och induktorer - miniatyriserade, robusta, pålitliga och effektiva. Det sista hindret i ultraminiatyriseringsrevolutionen inom elektronik , åtminstone i teorin, är förmågan att förvandla vilken enhet som helst (gjord av nästan vilket material som helst) till en elektronisk enhet. För att göra detta möjligt behöver vi bara förmågan att bädda in grafenbaserad elektronik i vilken typ av material vi vill, inklusive flexibla material. Det faktum att grafen har god flytbarhet, flexibilitet, styrka och konduktivitet, samtidigt som det är ofarligt för människor, gör det idealiskt för detta ändamål.
Under de senaste åren har grafen- och grafenanordningar tillverkats på ett sätt som endast har uppnåtts genom en handfull processer som i sig är ganska rigorösa. Du kan oxidera vanlig gammal grafit, lösa upp den i vatten och göra grafen med kemisk ånga avsättning. Det finns dock bara ett fåtal substrat som grafen kan avsättas på på detta sätt. Du kan kemiskt reducera grafenoxid, men om du gör det kommer du att få grafen av dålig kvalitet. Du kan också producera grafen genom mekanisk exfoliering , men detta låter dig inte kontrollera storleken eller tjockleken på grafenet du producerar.
Det är här framstegen inom lasergraverad grafen kommer in. Det finns två huvudsakliga sätt att uppnå detta. Det ena är att börja med grafenoxid. Samma som tidigare: du tar grafit och oxiderar den, men istället för att reducera den kemiskt, reducerar du den med laser. Till skillnad från kemiskt reducerad grafenoxid är det en högkvalitativ produkt som bland annat kan användas i superkondensatorer, elektroniska kretsar och minneskort.
Du kan också använda polyimid, en högtemperaturplast och mönstergrafen direkt med en laser. Lasern bryter kemiska bindningar i polyimidnätverket, och kolatomerna omorganiserar sig termiskt för att bilda tunna grafenark av hög kvalitet. Polyimid har visat sig massor av potentiella tillämpningar, för om du kan gravera grafenkretsar på den kan du i princip förvandla vilken form som helst av polyimid till bärbar elektronik. Dessa, för att nämna några, inkluderar:
Men det kanske mest spännande – med tanke på att nya upptäckter av lasergraverat grafen dyker upp, ökar och är allmänt förekommande – ligger vid horisonten av vad som för närvarande är möjligt. Med lasergraverad grafen kan du skörda och lagra energi: en energikontrollerande enhet .Ett av de mest uppseendeväckande exemplen på att tekniken misslyckas med att utvecklas är batterier.Idag använder vi nästan torrcellskemi för att lagra elektrisk energi, en hundraårig teknik.Prototyper av nya lagringsenheter, såsom zink-luftbatterier och solid state flexibla elektrokemiska kondensatorer, har skapats.
Med lasergraverad grafen kan vi inte bara revolutionera hur vi lagrar energi, utan vi kan också skapa bärbara enheter som omvandlar mekanisk energi till elektricitet: triboelektriska nanogeneratorer. Vi kan skapa anmärkningsvärda organiska solceller som har potential att revolutionera solenergi. skulle också kunna göra flexibla biobränsleceller;möjligheterna är enorma. På gränserna för att samla in och lagra energi är revolutioner alla på kort sikt.
Dessutom bör lasergraverad grafen inleda en tid av oöverträffade sensorer. Detta inkluderar fysiska sensorer, eftersom fysiska förändringar (som temperatur eller töjning) orsakar förändringar i elektriska egenskaper som resistans och impedans (som också inkluderar bidragen från kapacitans och induktans) ).Den inkluderar också enheter som upptäcker förändringar i gasegenskaper och luftfuktighet, och – när de appliceras på människokroppen – fysiska förändringar i någons vitala tecken. Till exempel kan idén med en Star Trek-inspirerad tricorder snabbt bli föråldrad av helt enkelt fästa ett plåster för övervakning av vitala tecken som omedelbart uppmärksammar oss på alla oroande förändringar i våra kroppar.
Denna tankegång kan också öppna upp ett helt nytt fält: biosensorer baserade på lasergraverad grafenteknik. En konstgjord hals baserad på lasergraverad grafen kan hjälpa till att övervaka halsvibrationer och identifiera signalskillnader mellan hosta, surrande, skrik, sväljning och nickning rörelser.Lasergraverat grafen har också stor potential om du vill skapa en artificiell bioreceptor som kan rikta in sig på specifika molekyler, designa olika bärbara biosensorer eller till och med hjälpa till att möjliggöra olika telemedicinska tillämpningar.
Det var inte förrän 2004 som en metod för att producera grafenark, åtminstone avsiktligt, först utvecklades. Under de 17 åren sedan dess har en serie parallella framsteg äntligen tagit fram möjligheten att revolutionera hur människor interagerar med elektronik. Jämfört med alla befintliga metoder för att producera och tillverka grafenbaserade enheter, möjliggör lasergraverad grafen enkla, massproducerbara, högkvalitativa och billiga grafenmönster i en mängd olika applikationer inklusive byte av hudelektronik.
Inom en snar framtid är det rimligt att förvänta sig framsteg inom energisektorn, inklusive energikontroll, energiskörd och energilagring. På kort sikt kommer även framsteg inom sensorer, inklusive fysiska sensorer, gassensorer och till och med biosensorer. revolutionen kommer sannolikt från wearables, inklusive enheter för diagnostiska telemedicintillämpningar. Det finns säkert många utmaningar och hinder kvar. Men dessa hinder kräver inkrementella snarare än revolutionerande förbättringar. När uppkopplade enheter och Internet of Things fortsätter att växa, kommer behovet av ultraliten elektronik är större än någonsin. Med de senaste framstegen inom grafenteknik är framtiden redan här på många sätt.