Lajme

Pothuajse gjithçka që hasim në botën moderne mbështetet në elektronikë në një farë mase. Që kur zbuluam për herë të parë se si të përdorim energjinë elektrike për të gjeneruar punë mekanike, ne kemi krijuar pajisje të mëdha dhe të vogla për të përmirësuar teknikisht jetën tonë. Nga dritat elektrike te telefonat inteligjentë, çdo pajisje ne zhvillojmë përbëhet nga vetëm disa komponentë të thjeshtë të bashkuar së bashku në konfigurime të ndryshme. Në fakt, për më shumë se një shekull, ne jemi mbështetur në:
Revolucioni ynë elektronik modern mbështetet në këto katër lloje përbërësish, plus – më vonë – transistorët, për të na sjellë pothuajse gjithçka që përdorim sot. Ndërsa ne garojmë për të miniaturizuar pajisjet elektronike, monitorojmë gjithnjë e më shumë aspekte të jetës dhe realitetit tonë, transmetojmë më shumë të dhëna me më pak energji dhe lidhim pajisjet tona me njëra-tjetrën, shpejt hasim në këto kufizime klasike. Teknologjia. Por, në fillim të viteve 2000, pesë përparime u bashkuan të gjitha dhe ato kanë filluar të transformojnë botën tonë moderne. Ja se si shkoi gjithçka.
1.) Zhvillimi i grafenit. Nga të gjitha materialet e gjetura në natyrë ose të krijuara në laborator, diamanti nuk është më materiali më i fortë. Ka gjashtë më të fortë, më i vështiri është grafeni. Në vitin 2004, grafeni, një fletë karboni me trashësi atomi të mbyllura së bashku në një model kristali gjashtëkëndor, u izoluan aksidentalisht në laborator.Vetëm gjashtë vjet pas këtij përparimi, zbuluesve të tij Andrei Heim dhe Kostya Novoselov iu dha Çmimi Nobel në Fizikë. Jo vetëm që është materiali më i vështirë i bërë ndonjëherë, tepër elastik ndaj stresi fizik, kimik dhe termik, por në fakt është një rrjetë e përsosur atomesh.
Grafeni gjithashtu ka veti magjepsëse përçuese, që do të thotë se nëse pajisjet elektronike, duke përfshirë transistorët, mund të bëhen nga grafeni në vend të silikonit, ato mund të jenë potencialisht më të vogla dhe më të shpejta se çdo gjë që kemi sot. Nëse grafeni përzihet në plastikë, ai mund të shndërrohet në një material rezistent ndaj nxehtësisë, më i fortë që përçon gjithashtu elektricitetin.Përveç kësaj, grafeni është rreth 98% transparent ndaj dritës, që do të thotë se është revolucionar për ekranet transparente me prekje, panelet që lëshojnë dritë dhe madje edhe qelizat diellore. Siç e tha Fondacioni Nobel për 11 vjet më parë, "ndoshta jemi në prag të një miniaturizimi tjetër të elektronikës që do të çojë që kompjuterët të bëhen më efikas në të ardhmen."
2.) Rezistenca për montim në sipërfaqe. Kjo është teknologjia më e vjetër "e re" dhe ndoshta është e njohur për këdo që ka prerë një kompjuter ose telefon celular. Rezistenca e montimit në sipërfaqe është një objekt i vogël drejtkëndor, i bërë zakonisht prej qeramike, me skaje përcjellëse në të dyja mbaron.Zhvillimi i qeramikës, që i reziston rrjedhës së rrymës pa shpërndarë shumë fuqi apo nxehtësi, ka bërë të mundur krijimin e rezistencave që janë superiore ndaj rezistencave të vjetra tradicionale të përdorura më parë: rezistenca boshtore plumbi.
Këto veti e bëjnë atë ideal për t'u përdorur në elektronikën moderne, veçanërisht në pajisjet e lëvizshme me fuqi të ulët. Nëse keni nevojë për një rezistencë, mund të përdorni një nga këto SMD (pajisje për montim në sipërfaqe) për të zvogëluar madhësinë që ju nevojitet për rezistorët ose për të rritur fuqia që mund të aplikoni për to brenda të njëjtave kufizime përmasash.
3.) Superkondensatorët. Kondensatorët janë një nga teknologjitë elektronike më të vjetra. Ata bazohen në një instalim të thjeshtë në të cilin dy sipërfaqe përçuese (pllaka, cilindra, predha sferike, etj.) ndahen nga njëra-tjetra me një distancë të vogël, dhe të dyja sipërfaqet janë në gjendje të mbajnë ngarkesa të barabarta dhe të kundërta. Kur përpiqeni të kaloni rrymë përmes kondensatorit, ai ngarkon dhe kur fikni rrymën ose lidhni dy pllakat, kondensatori shkarkon. Kondensatorët kanë një gamë të gjerë aplikimesh, duke përfshirë ruajtjen e energjisë, një shpërthim i shpejtë i energjisë së çliruar dhe elektronika piezoelektrike, ku ndryshimet në presionin e pajisjes gjenerojnë sinjale elektrike.
Natyrisht, bërja e pllakave të shumta të ndara nga distanca të vogla në një shkallë shumë, shumë të vogël nuk është vetëm sfiduese, por thelbësisht e kufizuar. Përparimet e fundit në materiale - veçanërisht titanati i bakrit të kalciumit (CCTO) - mund të ruajnë sasi të mëdha ngarkese në hapësira të vogla: superkondensatorë. Këto pajisje të vogla mund të karikohen dhe shkarkohen disa herë përpara se të konsumohen;ngarkoni dhe shkarkojeni më shpejt;dhe ruajnë 100 herë energjinë për njësi vëllimi të kondensatorëve të vjetër. Ata janë një teknologji që ndryshon lojën kur bëhet fjalë për miniaturizimin e elektronikës.
4.) Superinduktorët. Si i fundit nga "tre të mëdhenjtë", superindukti është lojtari më i fundit që doli deri në vitin 2018. Një induktor është në thelb një spirale me një rrymë të përdorur me një bërthamë të magnetizueshme. Induktorët kundërshtojnë ndryshimet në magnetin e tyre të brendshëm fushë, që do të thotë nëse përpiqeni të lini rrymë të rrjedhë përmes saj, ajo reziston për një kohë, pastaj lejon që rryma të rrjedhë lirshëm nëpër të dhe në fund i reziston ndryshimeve përsëri kur fikni rrymën. Së bashku me rezistorët dhe kondensatorët, ato janë tre elementë bazë të të gjitha qarqeve. Por përsëri, ka një kufi se sa të vogla mund të bëhen.
Problemi është se vlera e induktivitetit varet nga sipërfaqja e induktorit, i cili është një vrasës ëndrrash për sa i përket miniaturizimit. Por përveç induktancës klasike magnetike, ekziston edhe koncepti i induktivitetit të energjisë kinetike: inercia e vetë grimcat që mbartin rrymë parandalojnë ndryshimet në lëvizjen e tyre. Ashtu si milingonat në një vijë duhet të "flasin" me njëra-tjetrën për të ndryshuar shpejtësinë e tyre, këto grimca që mbartin rrymë, si elektronet, duhet të ushtrojnë një forcë mbi njëra-tjetrën për të shpejtuar. ose ngadalësoni. Kjo rezistencë ndaj ndryshimit krijon një ndjenjë lëvizjeje. Nën drejtimin e Laboratorit të Kërkimeve Nanoelektronike të Kaustav Banerjee, tani është zhvilluar një induktor i energjisë kinetike që përdor teknologjinë e grafenit: materiali me densitet më të lartë të induktivitetit të regjistruar ndonjëherë.
5.) Vendos grafen në çdo pajisje. Tani le të bëjmë një bilanc. Ne kemi grafen. Kemi versione "super" të rezistorëve, kondensatorëve dhe induktorëve - të miniaturë, të fortë, të besueshëm dhe efikas. Pengesa e fundit në revolucionin ultra-miniaturë në elektronikë , të paktën në teori, është aftësia për të kthyer çdo pajisje (të bërë nga pothuajse çdo material) në një pajisje elektronike. Për ta bërë të mundur këtë, gjithçka që na nevojitet është aftësia për të futur elektronikën me bazë grafeni në çdo lloj materiali që duam. duke përfshirë materialet fleksibël.Fakti që grafeni ka rrjedhshmëri, fleksibilitet, forcë dhe përçueshmëri të mirë, ndërsa është i padëmshëm për njerëzit, e bën atë ideal për këtë qëllim.
Në vitet e fundit, pajisjet grafeni dhe grafeni janë fabrikuar në një mënyrë që është arritur vetëm nëpërmjet një sërë procesesh që janë në vetvete mjaft rigoroze. Ju mund të oksidoni grafitin e vjetër të thjeshtë, ta shpërndani atë në ujë dhe të bëni grafen me avull kimik depozitimi. Megjithatë, ekzistojnë vetëm disa nënshtresa në të cilat grafeni mund të depozitohet në këtë mënyrë. Ju mund të reduktoni kimikisht oksidin e grafenit, por nëse e bëni këtë, do të përfundoni me grafen me cilësi të dobët. Ju gjithashtu mund të prodhoni grafen me eksfolim mekanik , por kjo nuk ju lejon të kontrolloni madhësinë ose trashësinë e grafenit që prodhoni.
Këtu hyjnë përparimet në grafenin e gdhendur me lazer. Ka dy mënyra kryesore për ta arritur këtë. Njëra është të filloni me oksidin e grafenit. Njësoj si më parë: ju merrni grafit dhe e oksidoni atë, por në vend që ta reduktoni kimikisht, ju e reduktoni atë. me një lazer. Ndryshe nga oksidi i grafenit të reduktuar kimikisht, ai është një produkt me cilësi të lartë që mund të përdoret në superkondensatorë, qarqe elektronike dhe karta memorie, ndër të tjera.
Ju gjithashtu mund të përdorni poliimid, një plastikë me temperaturë të lartë dhe grafen model direkt me një lazer. Lazeri thyen lidhjet kimike në rrjetin poliimid dhe atomet e karbonit riorganizohen termikisht për të formuar fletë të holla grafeni me cilësi të lartë. Polimidi ka treguar një ton aplikimesh të mundshme, sepse nëse mund të gdhendni qarqe grafeni në të, në thelb mund të ktheni çdo formë poliimidi në elektronikë të veshur. Këto, për të përmendur disa, përfshijnë:
Por ndoshta më emocionuesja—duke pasur parasysh shfaqjen, ngritjen dhe përhapjen e zbulimeve të reja të grafenit të gdhendur me lazer—është në horizontin e asaj që është aktualisht e mundur.Me grafenin e gdhendur me lazer, ju mund të korrni dhe ruani energjinë: një pajisje që kontrollon energjinë .Një nga shembujt më fantastikë të teknologjisë që nuk përparon janë bateritë. Sot, ne pothuajse përdorim kimikatet e thata të qelizave për të ruajtur energjinë elektrike, një teknologji shekullore. Prototipe të pajisjeve të reja të ruajtjes, të tilla si bateritë me zink-ajër dhe në gjendje të ngurtë janë krijuar kondensatorë elektrokimikë fleksibël.
Me grafenin e gdhendur me lazer, jo vetëm që mund të revolucionarizojmë mënyrën se si e ruajmë energjinë, por gjithashtu mund të krijojmë pajisje të veshshme që konvertojnë energjinë mekanike në energji elektrike: nanogjeneratorë triboelektrikë. Ne mund të krijojmë fotovoltaikë organikë të jashtëzakonshëm që kanë potencialin për të revolucionarizuar energjinë diellore. Ne mund të bëjë gjithashtu qeliza fleksibël të biokarburanteve;mundësitë janë të mëdha. Në kufijtë e mbledhjes dhe ruajtjes së energjisë, revolucionet janë të gjitha në afat të shkurtër.
Për më tepër, grafeni i gdhendur me lazer duhet të sjellë një epokë sensorësh të paprecedentë. Kjo përfshin sensorë fizikë, pasi ndryshimet fizike (si temperatura ose tendosja) shkaktojnë ndryshime në vetitë elektrike si rezistenca dhe impedanca (të cilat përfshijnë gjithashtu kontributet e kapacitetit dhe induktivitetit Ai gjithashtu përfshin pajisje që zbulojnë ndryshime në vetitë e gazit dhe lagështinë, dhe – kur aplikohet në trupin e njeriut – ndryshime fizike në shenjat vitale të dikujt. Për shembull, ideja e një trikorderi të frymëzuar nga Star Trek mund të vjetërohet shpejt nga thjesht duke bashkangjitur një copë toke monitorimi të shenjave vitale që na lajmëron menjëherë për çdo ndryshim shqetësues në trupin tonë.
Kjo linjë e të menduarit mund të hapë gjithashtu një fushë krejtësisht të re: biosensorë të bazuar në teknologjinë e grafenit të gdhendur me lazer. Një fyt artificial i bazuar në grafen të gdhendur me lazer mund të ndihmojë në monitorimin e dridhjeve të fytit, duke identifikuar dallimet e sinjaleve midis kollitjes, gumëzhimës, ulëritës, gëlltitjes dhe tundjes me kokë. lëvizjet.Grafeni i gdhendur me lazer ka gjithashtu një potencial të madh nëse doni të krijoni një bioreceptor artificial që mund të synojë molekula specifike, të dizenjojë biosensorë të ndryshëm të veshur ose madje të ndihmojë në aktivizimin e aplikacioneve të ndryshme të telemjekësisë.
Vetëm në vitin 2004 u zhvillua për herë të parë një metodë e prodhimit të fletëve të grafenit, të paktën qëllimisht. Në 17 vjet që nga ajo kohë, një seri përparimesh paralele më në fund solli në ballë mundësinë e revolucionarizimit të mënyrës se si njerëzit ndërveprojnë me elektronikën. Krahasuar me të gjitha metodat ekzistuese të prodhimit dhe fabrikimit të pajisjeve me bazë grafeni, grafeni i gdhendur me lazer mundëson modele grafeni të thjeshta, të prodhuara në masë, me cilësi të lartë dhe të lira në një sërë aplikimesh, duke përfshirë ndryshimin e elektronikës së lëkurës.
Në të ardhmen e afërt, është e arsyeshme të priten përparime në sektorin e energjisë, duke përfshirë kontrollin e energjisë, grumbullimin e energjisë dhe ruajtjen e energjisë.Gjithashtu në një afat të afërt do të ketë përparime në sensorë, duke përfshirë sensorët fizikë, sensorët e gazit dhe madje edhe biosensorët. revolucioni ka të ngjarë të vijë nga pajisjet e veshura, duke përfshirë pajisjet për aplikimet diagnostikuese të telemjekësisë. Për të qenë të sigurt, mbeten shumë sfida dhe pengesa. Por këto pengesa kërkojnë përmirësime në rritje dhe jo revolucionare. Ndërsa pajisjet e lidhura dhe Interneti i Gjërave vazhdojnë të rriten, nevoja për Elektronika ultra e vogël është më e madhe se kurrë. Me përparimet më të fundit në teknologjinë e grafenit, e ardhmja është tashmë këtu në shumë mënyra.