новости

Почти все, с чем мы сталкиваемся в современном мире, в той или иной степени зависит от электроники. С тех пор, как мы впервые открыли, как использовать электричество для производства механической работы, мы создали большие и малые устройства, чтобы технически улучшить нашу жизнь. От электрического освещения до смартфонов, каждое устройство которую мы разрабатываем, состоит всего из нескольких простых компонентов, соединенных вместе в различных конфигурациях. Фактически, на протяжении более века мы полагались на:
Наша современная революция в электронике опирается на эти четыре типа компонентов, а позже и на транзисторы, которые дают нам почти все, что мы используем сегодня. По мере того как мы стремимся миниатюризировать электронные устройства, отслеживаем все больше и больше аспектов нашей жизни и реальности, передаем больше данных меньше энергии и соединять наши устройства друг с другом, мы быстро сталкиваемся с этими классическими ограничениями. Технологии. Но в начале 2000-х годов все пять достижений объединились, и они начали преобразовывать наш современный мир. Вот как все это происходило.
1.) Разработка графена. Из всех материалов, найденных в природе или созданных в лаборатории, алмаз больше не является самым твердым материалом. Есть шесть более твердых материалов, самым твердым из которых является графен. В 2004 году графен - лист углерода толщиной в атом. Запертые вместе в шестиугольный кристаллический узор, был случайно изолирован в лаборатории. Всего через шесть лет после этого открытия его первооткрыватели Андрей Гейм и Костя Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. Это не только самый твердый материал из когда-либо созданных, но и невероятно устойчивый к механическим воздействиям. физическое, химическое и термическое напряжение, но на самом деле это идеальная решетка атомов.
Графен также обладает потрясающими проводящими свойствами, а это означает, что если бы электронные устройства, включая транзисторы, могли быть изготовлены из графена, а не из кремния, они потенциально могли бы быть меньше и быстрее, чем все, что мы имеем сегодня. Если графен смешать с пластиком, его можно превратить в термостойкий, более прочный материал, который также проводит электричество. Кроме того, графен примерно на 98% прозрачен для света, что означает, что он является революционным для прозрачных сенсорных экранов, светоизлучающих панелей и даже солнечных батарей. Как заявил Нобелевский фонд 11 лет назад, «возможно, мы находимся на пороге очередной миниатюризации электроники, которая приведет к тому, что компьютеры станут более эффективными в будущем».
2.) Резисторы для поверхностного монтажа. Это старейшая «новая» технология, и она, вероятно, знакома каждому, кто разбирал компьютер или сотовый телефон. Резистор для поверхностного монтажа представляет собой крошечный прямоугольный объект, обычно изготовленный из керамики, с проводящими краями на обеих сторонах. заканчивается. Развитие керамики, которая сопротивляется прохождению тока, не рассеивая при этом большой мощности или тепла, позволило создать резисторы, превосходящие старые традиционные резисторы, использовавшиеся ранее: резисторы с осевым выводом.
Эти свойства делают его идеальным для использования в современной электронике, особенно в маломощных и мобильных устройствах. Если вам нужен резистор, вы можете использовать одно из этих SMD (устройств поверхностного монтажа), чтобы уменьшить размер резисторов или увеличить его. мощность, которую вы можете применить к ним в пределах тех же ограничений по размеру.
3.) Суперконденсаторы. Конденсаторы являются одной из старейших электронных технологий. Они основаны на простой установке, в которой две проводящие поверхности (пластины, цилиндры, сферические оболочки и т. д.) отделены друг от друга небольшим расстоянием, а две поверхности способны поддерживать равные и противоположные заряды. Когда вы пытаетесь пропустить ток через конденсатор, он заряжается, а когда вы выключаете ток или соединяете две пластины, конденсатор разряжается. Конденсаторы имеют широкий спектр применений, включая хранение энергии, быстрый выброс высвобождаемой энергии и пьезоэлектрическая электроника, где изменения давления в устройстве генерируют электрические сигналы.
Конечно, изготовление нескольких пластин, разделенных крошечными расстояниями, в очень, очень маленьком масштабе не только сложно, но и фундаментально ограничено. Последние достижения в области материалов, особенно титаната меди-кальция (CCTO), могут хранить большие количества заряда в крошечных пространствах: суперконденсаторах. Эти миниатюрные устройства можно заряжать и разряжать несколько раз, прежде чем они изнашиваются; заряжать и разряжать быстрее; и сохраняют в 100 раз больше энергии на единицу объема, чем старые конденсаторы. Это революционная технология, когда дело доходит до миниатюризации электроники.
4.) Супериндукторы. Будучи последним из «Большой тройки», супериндуктор является последним игроком, появившимся до 2018 года. Индуктор представляет собой, по сути, катушку с током, используемым с намагничиваемым сердечником. Индукторы противостоят изменениям своего внутреннего магнитного поля. Это означает, что если вы попытаетесь пропустить через него ток, оно какое-то время сопротивляется, затем позволяет току свободно течь через него и, наконец, снова сопротивляется изменениям, когда вы выключаете ток. Наряду с резисторами и конденсаторами они являются полем три основных элемента всех схем. Но опять же, есть предел тому, насколько маленькими они могут стать.
Проблема в том, что величина индуктивности зависит от площади поверхности индуктора, что является убийцей мечтаний с точки зрения миниатюризации. Но помимо классической магнитной индуктивности существует еще понятие индуктивности кинетической энергии: инерция частицы с током сами препятствуют изменениям в их движении. Точно так же, как муравьи в линии должны «разговаривать» друг с другом, чтобы изменить свою скорость, эти частицы с током, как и электроны, должны оказывать друг на друга силу, чтобы ускориться. или замедлиться. Это сопротивление изменениям создает ощущение движения. Под руководством Исследовательской лаборатории наноэлектроники Каустава Банерджи был разработан индуктор кинетической энергии с использованием графеновой технологии: материал с самой высокой плотностью индуктивности, когда-либо зарегистрированный.
5.) Поместите графен в любое устройство. Теперь давайте подведем итоги. У нас есть графен. У нас есть «супер» версии резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности – миниатюрные, прочные, надежные и эффективные. Последнее препятствие на пути революции ультраминиатюризации в электронике. , по крайней мере теоретически, — это способность превратить любое устройство (сделанное практически из любого материала) в электронное устройство. Чтобы сделать это возможным, все, что нам нужно, — это способность встраивать электронику на основе графена в любой тип материала, который мы хотим, в том числе гибкие материалы. Тот факт, что графен обладает хорошей текучестью, гибкостью, прочностью и проводимостью, но при этом безвреден для человека, делает его идеальным для этой цели.
За последние несколько лет графен и графеновые устройства были изготовлены способом, который был достигнут лишь с помощью нескольких процессов, которые сами по себе являются довольно строгими. Вы можете окислить простой старый графит, растворить его в воде и получить графен с помощью химических паров. осаждение. Однако существует лишь несколько подложек, на которые графен может быть нанесен таким способом. Вы можете химически восстановить оксид графена, но если вы это сделаете, вы получите графен низкого качества. Вы также можете производить графен путем механического отшелушивания. , но это не позволяет вам контролировать размер или толщину производимого вами графена.
Именно здесь и появляются достижения в области графена с лазерной гравировкой. Есть два основных способа добиться этого. Один — начать с оксида графена. То же, что и раньше: вы берете графит и окисляете его, но вместо химического восстановления вы восстанавливаете его. с помощью лазера. В отличие от химически восстановленного оксида графена, это высококачественный продукт, который можно использовать, среди прочего, в суперконденсаторах, электронных схемах и картах памяти.
Вы также можете использовать полиимид, высокотемпературный пластик, и создавать узоры на графене непосредственно с помощью лазера. Лазер разрывает химические связи в полиимидной сетке, и атомы углерода термически реорганизуются, образуя тонкие высококачественные листы графена. Полиимид показал масса потенциальных применений, потому что если вы сможете выгравировать на нем графеновые схемы, вы сможете превратить полиимид любой формы в носимую электронику. К ним, среди прочего, относятся:
Но, возможно, самое интересное — учитывая появление, рост и повсеместное распространение новых открытий графена с лазерной гравировкой — находится на горизонте того, что возможно в настоящее время. С помощью графена с лазерной гравировкой вы можете собирать и хранить энергию: устройство, контролирующее энергию. .Одним из наиболее вопиющих примеров неспособности развития технологий являются аккумуляторы. Сегодня для хранения электрической энергии мы почти используем химические элементы сухих элементов, а это многовековая технология. Прототипы новых устройств хранения, таких как воздушно-цинковые батареи и твердотельные батареи созданы гибкие электрохимические конденсаторы.
С помощью графена с лазерной гравировкой мы не только можем произвести революцию в способах хранения энергии, но также можем создать носимые устройства, преобразующие механическую энергию в электричество: трибоэлектрические наногенераторы. Мы можем создать замечательные органические фотоэлектрические элементы, которые могут совершить революцию в солнечной энергии. могли бы также производить гибкие биотопливные элементы; возможности огромны. На границах сбора и хранения энергии все революции происходят в краткосрочной перспективе.
Кроме того, графен с лазерной гравировкой должен открыть эру беспрецедентных датчиков. Сюда входят и физические датчики, поскольку физические изменения (такие как температура или деформация) вызывают изменения в электрических свойствах, таких как сопротивление и импеданс (которые также включают вклад емкости и индуктивности). ).Он также включает в себя устройства, которые обнаруживают изменения свойств газа и влажности, а также – применительно к человеческому телу – физические изменения жизненных показателей человека. Например, идея трикодера в стиле «Звездного пути» может быстро устареть просто прикрепив патч для мониторинга жизненно важных функций, который мгновенно предупреждает нас о любых тревожных изменениях в нашем организме.
Этот образ мышления также может открыть совершенно новую область: биосенсоры на основе графена с лазерной гравировкой. Искусственное горло на основе графена с лазерной гравировкой может помочь контролировать вибрации горла, определяя различия в сигналах между кашлем, жужжанием, криком, глотанием и кивком. Графен с лазерной гравировкой также имеет большой потенциал, если вы хотите создать искусственный биорецептор, способный нацеливаться на определенные молекулы, разработать различные носимые биосенсоры или даже помочь в реализации различных телемедицинских приложений.
Лишь в 2004 году был впервые разработан метод производства листов графена, по крайней мере намеренно. За прошедшие с тех пор 17 лет ряд параллельных достижений наконец выдвинул на передний план возможность революционизировать способ взаимодействия людей с электроникой. По сравнению со всеми существующими методами производства и изготовления устройств на основе графена, графен с лазерной гравировкой позволяет создавать простые, массово производимые, высококачественные и недорогие графеновые узоры для различных применений, включая изменение электроники кожи.
В ближайшем будущем разумно ожидать прогресса в энергетическом секторе, включая контроль энергии, сбор и хранение энергии. Также в ближайшем будущем произойдет прогресс в области датчиков, включая физические датчики, газовые датчики и даже биосенсоры. Революция, скорее всего, произойдет в сфере носимых устройств, в том числе устройств для диагностических телемедицинских приложений. Конечно, остается много проблем и препятствий. Но эти препятствия требуют постепенных, а не революционных улучшений. Поскольку подключенные устройства и Интернет вещей продолжают расти, потребность в сверхмалая электроника больше, чем когда-либо. Благодаря последним достижениям в области графеновых технологий будущее во многих отношениях уже наступило.