5 cele mai recente descoperiri care au revoluționat produsele electronice

Aproape tot ceea ce întâlnim în lumea modernă se bazează într-o oarecare măsură pe produse electronice.De când am descoperit prima dată cum să folosim electricitatea pentru a genera lucru mecanic, am creat dispozitive de toate dimensiunile pentru a ne îmbunătăți viața.De la lumini la telefoane inteligente, fiecare dispozitiv pe care îl dezvoltăm este format din doar câteva componente simple, care sunt îmbinate împreună în diverse configurații.De fapt, de mai bine de un secol, ne bazăm pe:

Revoluția noastră electronică modernă se bazează pe aceste patru tipuri de componente și mai târziu pe tranzistori, aducând aproape tot ce folosim astăzi.Pe măsură ce ne cursăm să miniaturizăm dispozitivele electronice, să monitorizăm din ce în ce mai multe aspecte ale vieții și realității noastre, să transmitem mai multe date cu mai puțină putere și să ne conectăm dispozitivele între ele, în curând ne vom întâlni cu aceste Limitări clasice.tehnologie.Dar, la începutul secolului 21, cinci progrese se adună împreună și au început să schimbe lumea noastră modernă.Acesta este ceea ce se întâmplă totul.

1.) Dezvoltarea grafenului.Dintre toate materialele găsite în natură sau create în laborator, diamantul nu mai este cel mai dur material.Șase sunt mai greu, iar cel mai greu este grafenul.Grafenul separat accidental în laborator în 2004 este o foaie de carbon cu un singur atom, blocată împreună într-un model de cristal hexagonal.La doar șase ani după acest progres, descoperitorii săi Andrei Heim și Kostya Novoselov au câștigat Premiul Nobel pentru Fizică.Nu numai că este cel mai dur material vreodată și este incredibil de rezistent la stres fizic, chimic și termic, dar este într-adevăr o rețea atomică perfectă.

„Poate că suntem în pragul unei alte miniaturizări a produselor electronice, care va face computerele mai eficiente în viitor”.

Grafenul are, de asemenea, proprietăți conductoare fascinante, ceea ce înseamnă că, dacă dispozitivele electronice, inclusiv tranzistoarele, ar putea fi făcute din grafen în loc de siliciu, ar putea fi mai mici și mai rapide decât orice avem astăzi.Dacă grafenul este amestecat în plastic, plasticul poate fi transformat într-un material rezistent la căldură, mai puternic și poate conduce electricitatea.În plus, transparența grafenului la lumină este de aproximativ 98%, ceea ce înseamnă că este revoluționar pentru ecranele tactile transparente, panourile care emit lumină și chiar celulele solare.După cum a spus Fundația Nobel în urmă cu 11 ani, „Poate că suntem pe punctul de a miniaturiza un alt produs electronic, care va face computerele mai eficiente în viitor”.

2.) Rezistori de suprafață.Aceasta este cea mai veche „tehnologie nouă”, și oricine a analizat vreodată un computer sau un telefon mobil poate fi familiarizat cu ea.Un rezistor de suprafață este un obiect dreptunghiular minuscul, de obicei realizat din ceramică, cu margini conductoare la ambele capete.Dezvoltarea ceramicii poate împiedica fluxul de curent fără a disipa puterea sau încălzirea, putând astfel crea rezistențe superioare rezistențelor tradiționale mai vechi folosite înainte: rezistențe axiale cu plumb.
Aceste caracteristici le fac foarte potrivite pentru dispozitivele electronice moderne, în special cele cu consum redus de energie și dispozitivele mobile.Dacă aveți nevoie de un rezistor, puteți utiliza unul dintre aceste SMD-uri (dispozitive de montare la suprafață) pentru a reduce dimensiunea de care aveți nevoie pentru rezistor sau pentru a crește puterea pe care o puteți aplica acestora în aceeași limită de dimensiune.

3.) Super condensator.Condensatorii sunt una dintre cele mai vechi tehnologii electronice.Ele se bazează pe o configurație simplă în care două suprafețe conductoare (plăci, cilindri, carcase sferice etc.) sunt separate una de cealaltă la o distanță mică, iar aceste două suprafețe pot menține sarcini egale și opuse.Când încercați să treceți curent prin condensator, acesta se încarcă;când opriți curentul sau conectați două plăci, condensatorul se descarcă.Condensatorii au o gamă largă de aplicații, inclusiv stocarea energiei, exploziile rapide de eliberare unică de energie și electronica piezoelectrică, unde modificările presiunii dispozitivului generează semnale electronice.
Desigur, nu este doar o provocare să fabricați mai multe plăci cu distanțe foarte mici la o scară foarte, foarte mică, ci și fundamental limitată.Cele mai recente evoluții în materie de materiale – în special titanat de cupru de calciu (CCTO) – fac posibilă stocarea unor cantități mari de sarcină electrică în spații mici: supercondensatori.Aceste dispozitive miniaturizate pot fi încărcate și descărcate de multe ori înainte de a se uza;se încarcă și se descarcă mai repede;și stochează de 100 de ori mai multă energie pe unitate de volum decât condensatoarele mai vechi.În ceea ce privește produsele electronice miniaturizate, acestea reprezintă o tehnologie care schimbă jocul.

4.) Super inductoare.Ultimul dintre „Trei Mari”, Super Inductor este cel mai nou participant, care nu a fost realizat până în 2018. Un inductor este practic o bobină, un curent și un miez magnetizabil utilizate împreună.Inductorul se opune schimbării câmpului său magnetic intern, ceea ce înseamnă că, dacă încercați să lăsați curentul să curgă printr-unul, acesta va rezista o vreme, apoi va lăsa curentul să curgă liber prin el și, în final, rezista din nou la această schimbare când întoarceți curent oprit.Împreună cu rezistențele și condensatorii, acestea sunt cele trei elemente de bază ale tuturor circuitelor.Dar din nou, există o limită la cât de mici pot deveni.
Problema este că valoarea inductanței depinde de suprafața inductorului, care este un ucigaș de vis în ceea ce privește miniaturizarea.Cu toate acestea, pe lângă simțul magnetic clasic, există și conceptul de mișcare: inerția particulelor purtătoare de curent împiedică schimbarea mișcării lor.Așa cum furnicile dintr-o linie trebuie să „vorbească” între ele pentru a-și schimba viteza, aceste particule purtătoare de curent (cum ar fi electronii) trebuie să-și aplice forță reciprocă pentru a accelera sau decelera.Această rezistență la schimbare creează un sentiment de mișcare.Sub conducerea Laboratorului de Cercetare în Nanoelectronică de la Kaustav Banerjee, a fost dezvoltat un inductor dinamic folosind tehnologia grafenului: materialul cu cea mai mare densitate de inductanță de până acum.

5.) Pune grafen în orice dispozitiv.Acum să facem un bilanț.Avem grafen.Avem versiuni „super” de rezistențe, condensatoare și inductori-miniaturizate, robuste, fiabile și eficiente.Cel puțin în teorie, ultimul obstacol în calea revoluției în ultraminiaturizarea electronicii este capacitatea de a converti aproape orice dispozitiv din orice material într-un dispozitiv electronic.Pentru a face acest lucru posibil, tot ce avem nevoie este să putem încorpora dispozitive electronice pe bază de grafen în orice tip de material dorim, inclusiv materiale flexibile.Faptul că grafenul oferă o bună fluiditate, flexibilitate, rezistență și conductivitate, în timp ce este inofensiv pentru corpul uman, îl face o alegere ideală în acest scop.

În ultimii câțiva ani, grafenul și echipamentele cu grafen au fost fabricate doar prin câteva procese care au limitări considerabile.Puteți oxida grafitul vechi obișnuit, apoi îl puteți dizolva în apă și apoi faceți grafen prin depunere chimică de vapori.Cu toate acestea, doar câteva substraturi pot depune grafen în acest fel.Puteți reduce chimic oxidul de grafen, dar dacă o faceți, veți ajunge cu grafen de proastă calitate.Puteți produce grafen și prin peeling mecanic, dar acest lucru nu vă permite să controlați dimensiunea sau grosimea grafenului produs.

Aici se află progresul gravării cu laser a grafenului.Există două modalități principale de a realiza acest lucru.Una este să începeți cu oxidul de grafen.La fel ca înainte: oxidezi grafitul, dar în loc să-l reducă chimic, îl reduci cu un laser.Spre deosebire de oxidul de grafen redus chimic, acesta creează un produs de înaltă calitate care poate fi utilizat în supercondensatori, circuite electronice și carduri de memorie, pentru a numi câteva.

De asemenea, puteți utiliza poliimidă - un plastic la temperatură ridicată - și puteți folosi un laser pentru a modela grafenul direct pe ea.Laserul rupe legăturile chimice din rețeaua de poliimidă, iar atomii de carbon se recombină prin căldură pentru a forma o foaie de grafen subțire, de înaltă calitate.Poliimida a demonstrat un număr mare de aplicații potențiale, deoarece dacă poți grava circuite de grafen pe ea, practic poți transforma orice formă de poliimidă într-un dispozitiv electronic purtabil.Acestea, pentru a numi câteva, includ:

Dar poate cel mai interesant lucru - având în vedere apariția și creșterea grafenului gravat cu laser și omniprezenta noilor descoperiri - se află la orizont care este posibil în prezent.Folosind grafen gravat cu laser, puteți colecta și stoca energie: un dispozitiv de control al energiei.Unul dintre cele mai șocante exemple de eșec tehnologic la progres este bateriile.Astăzi, aproape folosim baterii chimice cu celule uscate pentru a stoca energia electrică, care este o tehnologie care are o istorie de sute de ani.Au fost create prototipuri de noi dispozitive de stocare, cum ar fi bateriile zinc-aer și condensatoare electrochimice flexibile cu stare solidă.
Folosind grafen gravat cu laser, putem nu numai să schimbăm complet modul în care stocăm energia, dar și să creăm un dispozitiv purtabil care transformă energia mecanică în energie electrică: un nanogenerator de frecare.Putem crea echipamente fotovoltaice organice excelente, care pot schimba complet energia solară.De asemenea, putem realiza celule de biocombustibil flexibile;posibilitățile sunt uriașe.În ceea ce privește colectarea și stocarea energiei, revoluția este pe cale să aibă loc pe termen scurt.

În plus, grafenul gravat cu laser ar trebui să introducă o eră fără precedent a senzorilor.Aceasta include senzori fizici, deoarece modificările fizice, cum ar fi temperatura sau deformarea, pot duce la modificări ale caracteristicilor electrice, cum ar fi rezistența și impedanța (inclusiv contribuția capacității și inductanței).Include, de asemenea, dispozitive care detectează modificări ale caracteristicilor gazelor și umidității și, atunci când sunt aplicate corpului uman, modificări fizice ale semnelor vitale ale cuiva.De exemplu, „Star Trek” a inspirat ideea unui instrument triaxial, atâta timp cât un plasture de monitorizare a semnelor vitale este pur și simplu instalat, acesta ne va aminti imediat de orice modificări îngrijorătoare ale corpului, care vor deveni în curând învechite.

Această idee poate deschide, de asemenea, un domeniu complet nou: biosenzorii bazați pe tehnologia grafenului cu gravare cu laser.Un gât artificial bazat pe grafen gravat cu laser poate ajuta la monitorizarea vibrațiilor gâtului și la identificarea diferențelor de semnal între mișcările de tuse, fredonat, țipat, înghițire și înclinare din cap.Dacă doriți să creați un bioreceptor artificial care să țintească anumite molecule, să proiecteze diverși biosenzori portabili și chiar să ajute la realizarea diferitelor aplicații de telemedicină, grafenul gravat cu laser are și un potențial mare.

Abia în 2004 a fost dezvoltată pentru prima dată o metodă de producere a foilor de grafen, cel puțin intenționat.În următorii 17 ani, o serie de progrese paralele au pus în sfârșit posibilitatea de a schimba complet modul în care oamenii interacționează cu dispozitivele electronice în prim plan.În comparație cu toate metodele anterioare de producere și fabricare a dispozitivelor pe bază de grafen, grafenul gravat cu laser permite modele de grafen simple, produse în serie, de înaltă calitate și ieftine în diverse aplicații, inclusiv electronica pielii.Schimbare.

În viitorul apropiat, nu este nerezonabil să ne așteptăm la progrese în sectorul energetic, inclusiv controlul energiei, recoltarea energiei și stocarea energiei.În viitorul apropiat, există și progrese în senzori, inclusiv senzori fizici, senzori de gaz și chiar biosenzori.Cea mai mare revoluție poate veni din dispozitivele portabile, inclusiv cele utilizate pentru diagnosticarea aplicațiilor de telemedicină.Desigur, există încă multe provocări și obstacole.Dar aceste obstacole necesită mai degrabă îmbunătățiri incrementale decât revoluționare.Odată cu dezvoltarea continuă a dispozitivelor conectate și a internetului obiectelor, cererea de produse electronice ultra-mici este mai mare ca niciodată.Cu cele mai recente evoluții în tehnologia grafenului, în multe privințe, viitorul a sosit.

Un nou tip de purificator de apă care poate purifica apa râului simplu și rapid va ajuta la rezolvarea problemei globale a deficitului de apă potabilă.


Ora postării: 11-feb-2020