nieuws

Bijna alles wat we in de moderne wereld tegenkomen, is tot op zekere hoogte afhankelijk van elektronica. Sinds we voor het eerst ontdekten hoe we elektriciteit konden gebruiken om mechanisch werk te genereren, hebben we grote en kleine apparaten gemaakt om ons leven technisch te verbeteren. Van elektrische lampen tot smartphones, elk apparaat die we ontwikkelen bestaat uit slechts een paar eenvoudige componenten die in verschillende configuraties aan elkaar zijn gestikt. In feite vertrouwen we al meer dan een eeuw op:
Onze moderne elektronicarevolutie is afhankelijk van deze vier soorten componenten, plus – later – transistors, om ons bijna alles te bieden wat we vandaag de dag gebruiken. Terwijl we racen om elektronische apparaten te miniaturiseren, monitoren we steeds meer aspecten van ons leven en de realiteit, verzenden we meer gegevens met Als we minder stroom gebruiken en onze apparaten met elkaar verbinden, komen we al snel deze klassieke grenzen tegen. Technologie. Maar begin jaren 2000 kwamen vijf ontwikkelingen allemaal samen, en ze zijn begonnen onze moderne wereld te transformeren. Zo ging het allemaal.
1.) Ontwikkeling van grafeen. Van alle materialen die in de natuur worden aangetroffen of in het laboratorium worden gemaakt, is diamant niet langer het hardste materiaal. Er zijn er zes harder, waarvan grafeen het moeilijkst is. In 2004 verscheen grafeen, een atoomdikke laag koolstof opgesloten in een zeshoekig kristalpatroon, werd per ongeluk geïsoleerd in het laboratorium. Slechts zes jaar na deze vooruitgang ontvingen de ontdekkers Andrei Heim en Kostya Novoselov de Nobelprijs voor de natuurkunde. Het is niet alleen het hardste materiaal dat ooit is gemaakt, maar ook ongelooflijk veerkrachtig fysieke, chemische en thermische stress, maar het is eigenlijk een perfect rooster van atomen.
Grafeen heeft ook fascinerende geleidende eigenschappen, wat betekent dat als elektronische apparaten, inclusief transistors, gemaakt zouden kunnen worden van grafeen in plaats van silicium, ze mogelijk kleiner en sneller zouden kunnen zijn dan alles wat we nu hebben. Als grafeen tot plastic wordt gemengd, kan het worden omgezet in een hittebestendig, sterker materiaal dat ook elektriciteit geleidt. Bovendien is grafeen ongeveer 98% transparant voor licht, wat betekent dat het revolutionair is voor transparante touchscreens, lichtgevende panelen en zelfs zonnecellen. Zoals de Nobel Foundation het verwoordde 11 jaar geleden: “Misschien staan ​​we aan de vooravond van een nieuwe miniaturisering van de elektronica, die ertoe zal leiden dat computers in de toekomst efficiënter worden.”
2.) Opbouwweerstanden. Dit is de oudste “nieuwe” technologie en is waarschijnlijk bekend bij iedereen die een computer of mobiele telefoon heeft ontleed. Een opbouwweerstand is een klein rechthoekig voorwerp, meestal gemaakt van keramiek, met geleidende randen aan beide kanten. De ontwikkeling van keramiek, dat de stroom van stroom weerstaat zonder veel kracht of warmte te dissiperen, heeft het mogelijk gemaakt om weerstanden te creëren die superieur zijn aan de oudere traditionele weerstanden die eerder werden gebruikt: axiale loodweerstanden.
Deze eigenschappen maken hem ideaal voor gebruik in moderne elektronica, vooral apparaten met een laag vermogen en mobiele apparaten. Als u een weerstand nodig heeft, kunt u een van deze SMD's (Surface Mount Devices) gebruiken om de grootte die u nodig hebt voor de weerstanden te verkleinen of te vergroten. de kracht die u erop kunt uitoefenen binnen dezelfde beperkingen van de grootte.
3.) Supercondensatoren. Condensatoren zijn een van de oudste elektronische technologieën. Ze zijn gebaseerd op een eenvoudige opstelling waarbij twee geleidende oppervlakken (platen, cilinders, bolvormige schalen, enz.) op een kleine afstand van elkaar zijn gescheiden, en de twee oppervlakken kunnen gelijke en tegengestelde ladingen behouden. Wanneer u stroom door de condensator probeert te leiden, wordt deze opgeladen en wanneer u de stroom uitschakelt of de twee platen verbindt, ontlaadt de condensator. Condensatoren hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder energieopslag, een snelle uitbarsting van vrijkomende energie, en piëzo-elektrische elektronica, waarbij veranderingen in de apparaatdruk elektrische signalen genereren.
Natuurlijk is het op zeer kleine schaal maken van meerdere platen, gescheiden door kleine afstanden, niet alleen een uitdaging, maar ook fundamenteel beperkt. Recente ontwikkelingen op het gebied van materialen – vooral calciumkopertitanaat (CCTO) – kunnen grote hoeveelheden lading opslaan in kleine ruimtes: supercondensatoren. Deze geminiaturiseerde apparaten kunnen meerdere keren worden opgeladen en ontladen voordat ze verslijten; sneller opladen en ontladen; en slaan 100 keer de energie per volume-eenheid op van oudere condensatoren. Ze zijn een baanbrekende technologie als het gaat om het miniaturiseren van elektronica.
4.) Superinductoren. Als laatste van de ‘Grote Drie’ is de superinductor de nieuwste speler die tot 2018 op de markt komt. Een inductor is in feite een spoel met een stroom die wordt gebruikt met een magnetiseerbare kern. Inductoren zijn tegen veranderingen in hun interne magnetische kern. veld, wat betekent dat als je probeert er stroom doorheen te laten stromen, het een tijdje weerstand biedt, dan de stroom er vrij doorheen laat stromen, en uiteindelijk weer weerstand biedt aan veranderingen als je de stroom uitschakelt. Samen met weerstanden en condensatoren zijn dit de drie basiselementen van alle circuits. Maar nogmaals, er is een limiet aan hoe klein ze kunnen worden.
Het probleem is dat de inductiewaarde afhangt van het oppervlak van de inductor, wat een droommoordenaar is in termen van miniaturisatie. Maar naast de klassieke magnetische inductie bestaat er ook het concept van kinetische energie-inductie: de traagheid van de stroomvoerende deeltjes zelf voorkomen veranderingen in hun beweging. Net zoals mieren in een rij met elkaar moeten ‘praten’ om hun snelheid te veranderen, moeten deze stroomvoerende deeltjes, net als elektronen, een kracht op elkaar uitoefenen om te versnellen of vertragen. Deze weerstand tegen verandering creëert een gevoel van beweging. Onder leiding van Kaustav Banerjee's Nanoelectronics Research Laboratory is nu een kinetische energie-inductor ontwikkeld die gebruik maakt van grafeentechnologie: het materiaal met de hoogste inductiedichtheid ooit gemeten.
5.) Stop grafeen in welk apparaat dan ook. Laten we nu de balans opmaken. We hebben grafeen. We hebben ‘super’-versies van weerstanden, condensatoren en inductoren – geminiaturiseerd, robuust, betrouwbaar en efficiënt. De laatste hindernis in de ultra-miniaturisatierevolutie in de elektronica , althans in theorie, is het vermogen om van elk apparaat (gemaakt van vrijwel elk materiaal) een elektronisch apparaat te maken. Om dit mogelijk te maken, hebben we alleen maar het vermogen nodig om op grafeen gebaseerde elektronica in te bedden in elk type materiaal dat we willen. inclusief flexibele materialen. Het feit dat grafeen een goede vloeibaarheid, flexibiliteit, sterkte en geleidbaarheid heeft, terwijl het onschadelijk is voor de mens, maakt het ideaal voor dit doel.
In de afgelopen paar jaar zijn grafeen en grafeenapparaten vervaardigd op een manier die alleen is bereikt door een handvol processen die op zichzelf tamelijk rigoureus zijn. Je kunt gewoon oud grafiet oxideren, oplossen in water en grafeen maken door middel van chemische damp Er zijn echter maar een paar substraten waarop grafeen op deze manier kan worden afgezet. Je kunt grafeenoxide chemisch reduceren, maar als je dat wel doet, krijg je grafeen van slechte kwaliteit. Je kunt grafeen ook produceren door mechanische exfoliatie , maar hierdoor heb je geen controle over de grootte of dikte van het grafeen dat je produceert.
Dit is waar de vooruitgang op het gebied van lasergegraveerd grafeen om de hoek komt kijken. Er zijn twee manieren om dit te bereiken. De eerste is om te beginnen met grafeenoxide. Hetzelfde als voorheen: je neemt grafiet en oxideert het, maar in plaats van het chemisch te reduceren, verminder je het. met een laser. In tegenstelling tot chemisch gereduceerd grafeenoxide is het een hoogwaardig product dat onder meer kan worden gebruikt in supercondensatoren, elektronische schakelingen en geheugenkaarten.
Je kunt ook polyimide, een plastic dat bestand is tegen hoge temperaturen, gebruiken en grafeen rechtstreeks met een laser van een patroon voorzien. De laser verbreekt de chemische bindingen in het polyimidenetwerk en de koolstofatomen reorganiseren zichzelf thermisch om dunne, hoogwaardige grafeenvellen te vormen. Polyimide heeft aangetoond een heleboel potentiële toepassingen, want als je er grafeencircuits op kunt graveren, kun je in principe elke vorm van polyimide omzetten in draagbare elektronica. Deze omvatten, om er maar een paar te noemen:
Maar misschien wel het meest opwindende – gezien de opkomst, opkomst en alomtegenwoordigheid van nieuwe ontdekkingen van lasergegraveerd grafeen – ligt aan de horizon van wat momenteel mogelijk is. Met lasergegraveerd grafeen kun je energie oogsten en opslaan: een apparaat dat energie controleert Een van de meest flagrante voorbeelden van technologie die geen vooruitgang boekt, zijn batterijen. Tegenwoordig gebruiken we bijna droge celchemie om elektrische energie op te slaan, een eeuwenoude technologie. Prototypes van nieuwe opslagapparaten, zoals zink-luchtbatterijen en solid-state batterijen Er zijn flexibele elektrochemische condensatoren gemaakt.
Met lasergegraveerd grafeen kunnen we niet alleen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we energie opslaan, maar kunnen we ook draagbare apparaten maken die mechanische energie omzetten in elektriciteit: tribo-elektrische nanogeneratoren. We kunnen opmerkelijke organische fotovoltaïsche zonne-energie creëren die het potentieel heeft om een ​​revolutie teweeg te brengen in de zonne-energie. zou ook flexibele biobrandstofcellen kunnen maken; de mogelijkheden zijn enorm. Op het gebied van het verzamelen en opslaan van energie spelen revoluties zich allemaal op de korte termijn af.
Bovendien zou met laser gegraveerd grafeen een tijdperk van ongekende sensoren moeten inluiden. Dit geldt ook voor fysieke sensoren, omdat fysieke veranderingen (zoals temperatuur of spanning) veranderingen in elektrische eigenschappen veroorzaken, zoals weerstand en impedantie (waartoe ook de bijdragen van capaciteit en inductie behoren). Het omvat ook apparaten die veranderingen in gaseigenschappen en vochtigheid detecteren, en – wanneer toegepast op het menselijk lichaam – fysieke veranderingen in iemands vitale functies. Het idee van een door Star Trek geïnspireerde tricorder zou bijvoorbeeld snel achterhaald kunnen raken door door simpelweg een patch voor het monitoren van vitale functies aan te brengen die ons onmiddellijk waarschuwt voor zorgelijke veranderingen in ons lichaam.
Deze manier van denken zou ook een heel nieuw veld kunnen openen: biosensoren op basis van lasergegraveerde grafeentechnologie. Een kunstmatige keel op basis van lasergegraveerd grafeen zou kunnen helpen keeltrillingen te monitoren en signaalverschillen tussen hoesten, zoemen, schreeuwen, slikken en knikken te identificeren. bewegingen. Lasergegraveerd grafeen heeft ook een groot potentieel als je een kunstmatige bioreceptor wilt creëren die zich op specifieke moleculen kan richten, verschillende draagbare biosensoren wil ontwerpen of zelfs verschillende telegeneeskundetoepassingen mogelijk wil maken.
Pas in 2004 werd voor het eerst een methode ontwikkeld om grafeenplaten te produceren, althans opzettelijk. In de zeventien jaar daarna heeft een reeks parallelle ontwikkelingen eindelijk de mogelijkheid op de voorgrond gebracht om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop mensen omgaan met elektronica. Vergeleken met alle bestaande methoden voor het produceren en fabriceren van op grafeen gebaseerde apparaten, maakt lasergegraveerd grafeen eenvoudige, in massa produceerbare, hoogwaardige en goedkope grafeenpatronen mogelijk in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder veranderingen in huidelektronica.
In de nabije toekomst is het redelijk om vooruitgang te verwachten in de energiesector, waaronder energiecontrole, energieoogst en energieopslag. Ook op de korte termijn zijn er vorderingen op het gebied van sensoren, waaronder fysieke sensoren, gassensoren en zelfs biosensoren. De revolutie zal waarschijnlijk voortkomen uit wearables, waaronder apparaten voor diagnostische telegeneeskundetoepassingen. Zeker, er blijven nog veel uitdagingen en obstakels bestaan. Maar deze obstakels vereisen incrementele in plaats van revolutionaire verbeteringen. Nu verbonden apparaten en het Internet of Things blijven groeien, zal de behoefte aan ultrakleine elektronica is groter dan ooit. Met de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van grafeentechnologie is de toekomst in veel opzichten al aangebroken.