Lähes kaikki, mitä kohtaamme nykymaailmassa, perustuu jossain määrin elektronisiin tuotteisiin.Siitä lähtien kun löysimme ensimmäisen kerran sähkön käytön mekaanisen työn tuottamiseen, olemme luoneet kaikenkokoisia laitteita parantaaksemme elämäämme.Valoista älypuhelimiin jokainen kehittämämme laite koostuu vain muutamasta yksinkertaisesta komponentista, jotka on yhdistetty erilaisiin kokoonpanoihin.Itse asiassa yli vuosisadan ajan olemme luottaneet seuraaviin seikkoihin:
Nykyaikainen elektroniikkavallankumouksemme perustuu näihin neljään komponenttityyppiin ja myöhemmin transistoreihin, mikä tuo meille lähes kaiken, mitä nykyään käytämme.Kun kilpailemme pienentääksemme elektronisia laitteita, valvoessamme yhä useampia elämämme ja todellisuuden puolia, siirtäessämme enemmän dataa pienemmällä teholla ja yhdistäessämme laitteitamme toisiinsa, kohtaamme pian nämä klassiset rajoitukset.teknologiaa.Mutta 2000-luvun alussa viisi edistystä kohtaa, ja ne ovat alkaneet muuttaa modernia maailmaamme.Tätä kaikkea tapahtuu.
1.) Grafeenin kehitys.Kaikista luonnosta löytyvistä tai laboratoriossa syntyneistä materiaaleista timantti ei ole enää kovin materiaali.Kuusi on kovempaa ja kovin on grafeeni.Laboratoriossa vuonna 2004 vahingossa erotettu grafeeni on yhden atomin paksuinen hiililevy, joka on lukittu yhteen kuusikulmainen kidekuvio.Vain kuusi vuotta tämän edistyksen jälkeen sen löytäjät Andrei Heim ja Kostya Novoselov voittivat fysiikan Nobel-palkinnon.Se ei ole vain kaikkien aikojen kovin materiaali, ja se kestää uskomattoman fysikaalista, kemiallista ja lämpörasitusta, mutta se on todellakin täydellinen atomihila.
"Ehkä olemme uuden elektroniikkatuotteiden miniatyrisoinnin partaalla, mikä tekee tietokoneista tehokkaampia tulevaisuudessa."
Grafeenilla on myös kiehtovia johtavia ominaisuuksia, mikä tarkoittaa, että jos elektroniset laitteet, mukaan lukien transistorit, voitaisiin valmistaa grafeenista piin sijaan, ne voisivat olla pienempiä ja nopeampia kuin mikään nykyinen.Jos grafeenia sekoitetaan muoviin, muovi voi muuttua lämmönkestäväksi, vahvemmaksi materiaaliksi ja se voi johtaa sähköä.Lisäksi grafeenin läpinäkyvyys valolle on noin 98%, mikä tarkoittaa, että se on vallankumouksellinen läpinäkyville kosketusnäytöille, valoa lähettäville paneeleille ja jopa aurinkokennoille.Kuten Nobel-säätiö sanoi 11 vuotta sitten: "Ehkä olemme pienentämässä toista elektronista tuotetta, joka tekee tietokoneista tehokkaampia tulevaisuudessa."
2.) Pinta-asennusvastukset.Tämä on vanhin "uusi tekniikka", ja jokainen tietokonetta tai matkapuhelinta koskaan analysoinut voi tuntea sen.Pinta-asennusvastus on pieni suorakaiteen muotoinen esine, joka on yleensä valmistettu keraamisesta ja jonka molemmissa päissä on johtavat reunat.Keramiikan kehitys voi estää virran kulkeutumisen ilman tehon tai lämmityksen haihtumista, jolloin voidaan luoda vastukset, jotka ovat parempia kuin vanhat perinteiset aiemmin käytetyt vastukset: aksiaaliset lyijyvastukset.
Nämä ominaisuudet tekevät niistä erittäin sopivia nykyaikaisiin elektronisiin laitteisiin, erityisesti alhaiseen virrankulutukseen ja mobiililaitteisiin.Jos tarvitset vastuksen, voit käyttää jotakin näistä SMD-laitteista (surface mount devices) pienentääksesi vastuksen tarvitsemaa kokoa tai lisätäksesi niihin käytettävää tehoa saman kokorajoituksen sisällä.
3.) Superkondensaattori.Kondensaattorit ovat yksi vanhimmista elektroniikkatekniikoista.Ne perustuvat yksinkertaiseen kokoonpanoon, jossa kaksi johtavaa pintaa (levyt, sylinterit, pallomaiset kuoret jne.) on erotettu toisistaan pienellä etäisyydellä, ja nämä kaksi pintaa voivat ylläpitää yhtäläisiä ja vastakkaisia varauksia.Kun yrität johtaa virtaa kondensaattorin läpi, se latautuu;kun katkaiset virran tai kytket kaksi korttia, kondensaattori purkautuu.Kondensaattoreilla on laaja valikoima sovelluksia, mukaan lukien energian varastointi, nopeat kertaluonteiset energian vapautumispurskeet ja pietsosähköinen elektroniikka, jossa laitteen paineen muutokset synnyttävät elektronisia signaaleja.
Tietenkin ei ole vain haastavaa valmistaa useita levyjä hyvin pienillä etäisyyksillä erittäin pienessä mittakaavassa, vaan myös perustavanlaatuisesti rajoitettua.Viimeisimmät materiaalit – erityisesti kalsiumkuparititanaatti (CCTO) – mahdollistavat suurten sähkövarausten tallentamisen pieniin tiloihin: superkondensaattoreihin.Nämä pienoislaitteet voidaan ladata ja purkaa monta kertaa ennen kuin ne kuluvat;ne latautuvat ja purkautuvat nopeammin;ja ne varastoivat 100 kertaa enemmän energiaa tilavuusyksikköä kohti kuin vanhemmat kondensaattorit.Mitä tulee pienikokoisiin elektronisiin tuotteisiin, ne ovat pelin muuttava tekniikka.
4.) Superinduktorit."Big Threen" viimeinen, Super Inductor on uusin osallistuja, joka toteutui vasta vuonna 2018. Induktori on pohjimmiltaan käämi, virta ja magnetoituva ydin, jota käytetään yhdessä.Induktori vastustaa sisäisen magneettikentän muutosta, mikä tarkoittaa, että jos yrität päästää virran läpi yhden, se vastustaa jonkin aikaa, antaa sitten virran kulkea vapaasti sen läpi ja lopulta vastustaa tätä muutosta uudelleen, kun käännät virta pois päältä.Yhdessä vastusten ja kondensaattoreiden kanssa ne ovat kaikkien piirien kolme peruselementtiä.Mutta jälleen kerran, on raja, kuinka pieniä niistä voi tulla.
Ongelmana on, että induktanssiarvo riippuu induktorin pinta-alasta, joka on miniatyrisoinnin kannalta unelma tappaja.Klassisen magneettisen aistin lisäksi on kuitenkin olemassa myös liikkeen käsite: virtaa kuljettavien hiukkasten inertia estää niiden liikkeen muuttamisen.Aivan kuten jonossa olevien muurahaisten on "puhuttava" toisilleen muuttaakseen nopeuttaan, näiden virtaa kuljettavien hiukkasten (kuten elektronien) on kohdistettava voimaa toisiinsa kiihtyäkseen tai hidastuakseen.Tämä muutosvastarinta luo liikkeen tunteen.Kaustav Banerjeen nanoelektroniikan tutkimuslaboratorion johdolla on kehitetty grafeeniteknologiaa käyttävä dynaaminen kela: materiaali, jolla on kaikkien aikojen suurin induktanssitiheys.
5.) Laita grafeenia mihin tahansa laitteeseen.Tehdään nyt tilannearvio.Meillä on grafeeni.Meillä on "super" versioita vastuksista, kondensaattoreista ja induktoreista - pienoiskokoisia, kestäviä, luotettavia ja tehokkaita.Ainakin teoriassa viimeinen este elektroniikan ultraminiatyrisoinnin vallankumoukselle on kyky muuntaa lähes mikä tahansa materiaalista valmistettu laite elektroniseksi laitteeksi.Jotta tämä olisi mahdollista, tarvitsemme vain, että pystymme upottamaan grafeenipohjaisia elektronisia laitteita mihin tahansa haluamaasi materiaaliin, mukaan lukien joustavat materiaalit.Se, että grafeeni tarjoaa hyvän juoksevuuden, joustavuuden, lujuuden ja johtavuuden samalla kun se on vaaraton ihmiskeholle, tekee siitä ihanteellisen valinnan tähän tarkoitukseen.
Viime vuosina grafeenia ja grafeenilaitteita on valmistettu vain muutamilla prosesseilla, joilla on huomattavia rajoituksia.Voit hapettaa tavallisen vanhan grafiitin, liuottaa sen veteen ja valmistaa sitten grafeenia kemiallisella höyrypinnoituksella.Kuitenkin vain harvat substraatit voivat kerrostaa grafeenia tällä tavalla.Voit pelkistää grafeenioksidin kemiallisesti, mutta jos teet niin, päädyt huonolaatuiseen grafeeniin.Voit valmistaa grafeenia myös mekaanisella kuorimalla, mutta tämä ei salli tuotetun grafeenin kokoa tai paksuutta.
Tässä on grafeenin laserkaiverrusprosessin edistyminen.Tämän saavuttamiseksi on kaksi päätapaa.Yksi on aloittaa grafeenioksidilla.Sama kuin ennenkin: hapetat grafiitin, mutta kemiallisen pelkistyksen sijaan pelkistät sen laserilla.Toisin kuin kemiallisesti pelkistetty grafeenioksidi, tämä luo korkealaatuisen tuotteen, jota voidaan käyttää superkondensaattoreissa, elektronisissa piireissä ja muistikorteissa.
Voit myös käyttää polyimidiä – korkean lämpötilan muovia – ja kuvioita grafeenia laserilla suoraan.Laser katkaisee polyimidiverkoston kemialliset sidokset, ja hiiliatomit yhdistyvät uudelleen lämmön vaikutuksesta muodostaen ohuen, korkealaatuisen grafeenilevyn.Polyimidi on osoittanut suuren määrän mahdollisia sovelluksia, koska jos voit kaivertaa siihen grafeenipiirejä, voit periaatteessa muuttaa minkä tahansa muotoisen polyimidin puettavaksi elektroniseksi laitteeksi.Näitä, muutamia mainitakseni, ovat:
Mutta ehkä jännittävin asia - ottaen huomioon laserkaiverretun grafeenin ilmaantumisen ja nousun sekä uusien löytöjen yleisyyden - on näköpiirissä, joka on tällä hetkellä mahdollista.Laserkaiverretun grafeenin avulla voit kerätä ja varastoida energiaa: energianhallintalaite.Yksi järkyttävimmistä esimerkeistä teknisen kehityksen epäonnistumisesta on akut.Nykyään käytämme lähes kuivakennokemiallisia akkuja sähköenergian varastointiin, mikä on satojen vuosien historiaa.Uusista tallennuslaitteista on luotu prototyyppejä, kuten sinkki-ilmaparistoja ja solid-state-joustavia sähkökemiallisia kondensaattoreita.
Laserkaiverretun grafeenin avulla emme voi ainoastaan muuttaa täysin tapaamme varastoida energiaa, vaan myös luoda puettavan laitteen, joka muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi: kitkananogeneraattorin.Voimme luoda erinomaisia orgaanisia aurinkosähkölaitteita, jotka voivat muuttaa aurinkoenergiaa täysin.Voimme myös valmistaa joustavia biopolttokennoja;mahdollisuudet ovat valtavat.Energian keräämisen ja varastoinnin suhteen vallankumous on tapahtumassa lyhyellä aikavälillä.
Lisäksi laserkaiverretun grafeenin pitäisi aloittaa ennennäkemätön anturiaikakausi.Tämä sisältää fyysiset anturit, koska fyysiset muutokset, kuten lämpötila tai jännitys, voivat johtaa muutoksiin sähköisissä ominaisuuksissa, kuten resistanssissa ja impedanssissa (mukaan lukien kapasitanssin ja induktanssin osuus).Se sisältää myös laitteet, jotka havaitsevat muutokset kaasun ominaisuuksissa ja kosteudessa sekä – kun niitä sovelletaan ihmiskehoon – fyysisiä muutoksia jonkun elintoiminnoissa.Esimerkiksi "Star Trek" inspiroi ajatusta triaksiaalisesta instrumentista, niin kauan kuin elintoimintojen seurantalaastari on yksinkertaisesti asennettu, se muistuttaa meitä välittömästi kaikista huolestuttavista muutoksista kehossa, jotka pian vanhenevat.
Tämä idea voi myös avata kokonaan uuden kentän: laserkaiverrusgrafeeniteknologiaan perustuvat biosensorit.Laserkaiverrettuun grafeeniin perustuva tekokurkku voi auttaa seuraamaan kurkun värähtelyä ja tunnistamaan signaalierot yskimisen, huminan, huutamisen, nielemisen ja nyökkäysliikkeiden välillä.Jos haluat luoda keinotekoisen bioreseptorin, joka voi kohdistaa tiettyihin molekyyleihin, suunnitella erilaisia puettavia biosensoreja ja jopa auttaa toteuttamaan erilaisia telelääketieteen sovelluksia, laserkaiverretulla grafeenilla on myös suuri potentiaali.
Vasta vuonna 2004 kehitettiin ensimmäistä kertaa menetelmä grafeenilevyjen valmistamiseksi ainakin tarkoituksella.Seuraavien 17 vuoden aikana sarja rinnakkaisia edistysaskeleita asetti lopulta mahdollisuuden muuttaa täysin tapaa, jolla ihmiset ovat vuorovaikutuksessa elektronisten laitteiden kanssa.Verrattuna kaikkiin aikaisempiin grafeenipohjaisten laitteiden tuotanto- ja valmistusmenetelmiin, laserkaiverrettu grafeeni mahdollistaa yksinkertaiset, massatuotannot, korkealaatuiset ja edulliset grafeenikuviot erilaisissa sovelluksissa, mukaan lukien ihoelektroniikassa.muuttaa.
Lähitulevaisuudessa ei ole kohtuutonta odottaa edistystä energiasektorilla, mukaan lukien energian hallinta, energian talteenotto ja energian varastointi.Lähitulevaisuudessa on myös edistystä antureissa, mukaan lukien fyysiset anturit, kaasuanturit ja jopa biosensorit.Suurin vallankumous voi tulla puettavista laitteista, mukaan lukien ne, joita käytetään telelääketieteen sovellusten diagnosointiin.On varmaa, että haasteita ja esteitä on edelleen monia.Mutta nämä esteet vaativat pikemminkin vähitellen kuin vallankumouksellista parannusta.Yhdistettyjen laitteiden ja esineiden internetin jatkuvan kehityksen myötä erittäin pienten elektronisten tuotteiden kysyntä on suurempi kuin koskaan.Grafeeniteknologian viimeisimmän kehityksen myötä tulevaisuus on monella tapaa saapunut.
Uudenlainen vedenpuhdistin, joka voi puhdistaa jokiveden yksinkertaisesti ja nopeasti, auttaa ratkaisemaan maailmanlaajuisen juomavesipulaongelman.
Postitusaika: 11.2.2020