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Fast alles, was uns in der modernen Welt begegnet, ist zu einem gewissen Grad auf Elektronik angewiesen. Seit wir erstmals entdeckt haben, wie man Elektrizität zur Erzeugung mechanischer Arbeit nutzt, haben wir große und kleine Geräte entwickelt, um unser Leben technisch zu verbessern. Von elektrischem Licht bis hin zu Smartphones – jedes Gerät Die von uns entwickelten Produkte bestehen aus nur wenigen einfachen Komponenten, die in verschiedenen Konfigurationen zusammengefügt werden. Tatsächlich verlassen wir uns seit über einem Jahrhundert auf:
Unsere moderne Elektronikrevolution basiert auf diesen vier Arten von Komponenten und später auch auf Transistoren, um uns fast alles zu ermöglichen, was wir heute verwenden. Während wir darum kämpfen, elektronische Geräte zu miniaturisieren, überwachen wir immer mehr Aspekte unseres Lebens und unserer Realität und übertragen immer mehr Daten mit Wenn wir weniger Strom verbrauchen und unsere Geräte miteinander verbinden, stoßen wir schnell auf die Grenzen dieser Klassiker. Technologie. Aber Anfang der 2000er Jahre kamen fünf Fortschritte zusammen und sie begannen, unsere moderne Welt zu verändern. Hier erfahren Sie, wie alles lief.
1.) Entwicklung von Graphen. Von allen Materialien, die in der Natur vorkommen oder im Labor hergestellt werden, ist Diamant nicht mehr das härteste Material. Es gibt sechs härtere, das härteste ist Graphen. Im Jahr 2004 erschien Graphen, eine atomdicke Kohlenstoffschicht In einem sechseckigen Kristallmuster zusammengeschlossen, wurde versehentlich im Labor isoliert. Nur sechs Jahre nach diesem Fortschritt erhielten seine Entdecker Andrei Heim und Kostya Novoselov den Nobelpreis für Physik. Es ist nicht nur das härteste Material, das jemals hergestellt wurde, sondern auch unglaublich widerstandsfähig physikalischer, chemischer und thermischer Belastung, aber es ist tatsächlich ein perfektes Atomgitter.
Graphen verfügt außerdem über faszinierende Leitfähigkeitseigenschaften. Das heißt, wenn elektronische Geräte, einschließlich Transistoren, aus Graphen anstelle von Silizium hergestellt werden könnten, könnten sie möglicherweise kleiner und schneller sein als alles, was wir heute haben. Wenn Graphen in Kunststoff eingemischt wird, kann es in Plastik umgewandelt werden ein hitzebeständiges, stärkeres Material, das auch Elektrizität leitet. Darüber hinaus ist Graphen zu etwa 98 % lichtdurchlässig, was bedeutet, dass es für transparente Touchscreens, lichtemittierende Panels und sogar Solarzellen revolutionär ist. Nach Angaben der Nobelstiftung 11 Jahre „Vielleicht stehen wir vor einer weiteren Miniaturisierung der Elektronik, die dazu führen wird, dass Computer in Zukunft effizienter werden.“
2.) Oberflächenmontierte Widerstände. Dies ist die älteste „neue“ Technologie und wahrscheinlich jedem bekannt, der einen Computer oder ein Mobiltelefon seziert hat. Ein oberflächenmontierter Widerstand ist ein winziges rechteckiges Objekt, normalerweise aus Keramik, mit leitenden Kanten an beiden endet.Die Entwicklung von Keramiken, die dem Stromfluss widerstehen, ohne viel Strom oder Wärme zu verbrauchen, hat es ermöglicht, Widerstände zu entwickeln, die den älteren herkömmlichen Widerständen, die zuvor verwendet wurden, überlegen sind: Widerstände mit axialen Leitungen.
Diese Eigenschaften machen es ideal für den Einsatz in moderner Elektronik, insbesondere in Geräten mit geringem Stromverbrauch und in mobilen Geräten. Wenn Sie einen Widerstand benötigen, können Sie eines dieser SMDs (Surface Mount Devices) verwenden, um die Größe der Widerstände zu verringern oder zu vergrößern die Leistung, die Sie innerhalb der gleichen Größenbeschränkungen auf sie anwenden können.
3.) Superkondensatoren. Kondensatoren gehören zu den ältesten elektronischen Technologien. Sie basieren auf einem einfachen Aufbau, bei dem zwei leitende Oberflächen (Platten, Zylinder, Kugelschalen usw.) durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt sind und die beiden Oberflächen sind in der Lage, gleiche und entgegengesetzte Ladungen aufrechtzuerhalten. Wenn Sie versuchen, Strom durch den Kondensator zu leiten, lädt er sich auf, und wenn Sie den Strom ausschalten oder die beiden Platten verbinden, entlädt sich der Kondensator. Kondensatoren haben ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der Energiespeicherung schneller Ausbruch freigesetzter Energie und piezoelektrische Elektronik, bei der Änderungen des Gerätedrucks elektrische Signale erzeugen.
Natürlich ist die Herstellung mehrerer durch winzige Abstände voneinander getrennter Platten in sehr, sehr kleinem Maßstab nicht nur eine Herausforderung, sondern auch grundsätzlich begrenzt. Jüngste Fortschritte bei Materialien – insbesondere Calcium-Kupfer-Titanat (CCTO) – können große Ladungsmengen auf kleinstem Raum speichern: Superkondensatoren. Diese miniaturisierten Geräte können mehrmals geladen und entladen werden, bevor sie verschleißen. schneller laden und entladen; und speichern 100-mal mehr Energie pro Volumeneinheit als ältere Kondensatoren. Sie sind eine bahnbrechende Technologie, wenn es um die Miniaturisierung von Elektronik geht.
4.) Superinduktoren. Als letzter der „Großen Drei“ ist der Suprainduktor das neueste Produkt, das bis 2018 auf den Markt kommt. Ein Induktor ist im Grunde eine Spule mit einem Strom, der mit einem magnetisierbaren Kern verwendet wird. Induktoren wirken Änderungen in ihrem inneren Magnetismus entgegen Das heißt, wenn Sie versuchen, Strom durch das Feld fließen zu lassen, widersteht es eine Zeit lang, lässt dann den Strom ungehindert durch es fließen und widersteht schließlich wieder Änderungen, wenn Sie den Strom ausschalten. Zusammen mit Widerständen und Kondensatoren sind sie das drei Grundelemente aller Schaltkreise. Aber auch hier gibt es eine Grenze, wie klein sie werden können.
Das Problem besteht darin, dass der Induktivitätswert von der Oberfläche des Induktors abhängt, was im Hinblick auf die Miniaturisierung ein Traumkiller ist. Doch neben der klassischen magnetischen Induktivität gibt es auch das Konzept der kinetischen Energieinduktivität: die Trägheit von Die stromführenden Teilchen selbst verhindern Änderungen in ihrer Bewegung. So wie Ameisen in einer Reihe miteinander „sprechen“ müssen, um ihre Geschwindigkeit zu ändern, müssen diese stromführenden Teilchen wie Elektronen eine Kraft aufeinander ausüben, um schneller zu werden oder langsamer werden. Dieser Widerstand gegen Veränderungen erzeugt ein Gefühl der Bewegung. Unter der Leitung des Nanoelektronik-Forschungslabors von Kaustav Banerjee wurde nun ein Induktor für kinetische Energie mithilfe der Graphen-Technologie entwickelt: das Material mit der höchsten Induktivitätsdichte, das jemals aufgezeichnet wurde.
5.) Geben Sie Graphen in jedes beliebige Gerät. Jetzt ziehen wir Bilanz. Wir haben Graphen. Wir haben „Super“-Versionen von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten – miniaturisiert, robust, zuverlässig und effizient. Die letzte Hürde in der Ultraminiaturisierungsrevolution in der Elektronik , zumindest theoretisch, ist die Fähigkeit, jedes Gerät (aus fast jedem Material) in ein elektronisches Gerät umzuwandeln. Um dies zu ermöglichen, brauchen wir lediglich die Fähigkeit, graphenbasierte Elektronik in jede Art von Material einzubetten, das wir wollen. einschließlich flexibler Materialien. Die Tatsache, dass Graphen eine gute Fließfähigkeit, Flexibilität, Festigkeit und Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig für den Menschen harmlos ist, macht es ideal für diesen Zweck.
In den letzten Jahren wurden Graphen und Graphengeräte auf eine Weise hergestellt, die nur durch eine Handvoll Prozesse erreicht werden konnte, die selbst ziemlich streng sind. Sie können einfachen alten Graphit oxidieren, ihn in Wasser auflösen und Graphen durch chemisches Dampfen herstellen Abscheidung. Es gibt jedoch nur wenige Substrate, auf denen Graphen auf diese Weise abgeschieden werden kann. Sie können Graphenoxid chemisch reduzieren, aber wenn Sie dies tun, erhalten Sie am Ende Graphen von schlechter Qualität. Sie können Graphen auch durch mechanisches Peeling herstellen Dies ermöglicht Ihnen jedoch keine Kontrolle über die Größe oder Dicke des von Ihnen produzierten Graphens.
Hier kommen Fortschritte bei lasergraviertem Graphen ins Spiel. Es gibt zwei Hauptwege, dies zu erreichen. Der eine besteht darin, mit Graphenoxid zu beginnen. Wie zuvor: Man nimmt Graphit und oxidiert es, aber anstatt es chemisch zu reduzieren, reduziert man es mit einem Laser. Im Gegensatz zu chemisch reduziertem Graphenoxid handelt es sich um ein hochwertiges Produkt, das unter anderem in Superkondensatoren, elektronischen Schaltkreisen und Speicherkarten verwendet werden kann.
Sie können auch Polyimid, einen Hochtemperaturkunststoff, verwenden und Graphen direkt mit einem Laser strukturieren. Der Laser bricht chemische Bindungen im Polyimidnetzwerk auf und die Kohlenstoffatome ordnen sich thermisch neu an, um dünne, hochwertige Graphenschichten zu bilden. Polyimid hat gezeigt Es gibt eine Menge potenzieller Anwendungen, denn wenn man Graphen-Schaltkreise darauf gravieren kann, kann man im Grunde jede Form von Polyimid in tragbare Elektronik verwandeln. Dazu gehören, um nur einige zu nennen:
Aber vielleicht am spannendsten – angesichts der Entstehung, des Aufstiegs und der Allgegenwärtigkeit neuer Entdeckungen von lasergraviertem Graphen – ist der Horizont dessen, was derzeit möglich ist. Mit lasergraviertem Graphen können Sie Energie gewinnen und speichern: ein Gerät zur Energiesteuerung .Eines der eklatantesten Beispiele dafür, dass sich die Technologie nicht weiterentwickelt, sind Batterien. Heutzutage verwenden wir fast die Trockenzellchemie zur Speicherung elektrischer Energie, eine jahrhundertealte Technologie. Prototypen neuer Speichergeräte wie Zink-Luft-Batterien und Festkörperbatterien Es wurden flexible elektrochemische Kondensatoren entwickelt.
Mit lasergraviertem Graphen können wir nicht nur die Art und Weise, wie wir Energie speichern, revolutionieren, sondern auch tragbare Geräte schaffen, die mechanische Energie in Elektrizität umwandeln: triboelektrische Nanogeneratoren. Wir können bemerkenswerte organische Photovoltaik schaffen, die das Potenzial hat, die Solarenergie zu revolutionieren. Wir könnte auch flexible Biobrennstoffzellen herstellen; Die Möglichkeiten sind riesig. An den Grenzen der Energiegewinnung und -speicherung sind alle Revolutionen kurzfristiger Natur.
Darüber hinaus dürfte lasergraviertes Graphen eine Ära beispielloser Sensoren einläuten. Dazu gehören auch physikalische Sensoren, da physikalische Veränderungen (wie Temperatur oder Dehnung) Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften wie Widerstand und Impedanz verursachen (zu denen auch die Beiträge von Kapazität und Induktivität gehören). ).Dazu gehören auch Geräte, die Änderungen der Gaseigenschaften und der Luftfeuchtigkeit sowie – bei Anwendung auf den menschlichen Körper – physische Veränderungen der Vitalfunktionen einer Person erkennen. Beispielsweise könnte die Idee eines von Star Trek inspirierten Tricorders schnell obsolet werden Einfach ein Pflaster zur Überwachung der Vitalfunktionen anbringen, das uns sofort auf besorgniserregende Veränderungen in unserem Körper aufmerksam macht.
Diese Denkweise könnte auch ein ganz neues Feld eröffnen: Biosensoren auf Basis der lasergravierten Graphen-Technologie. Ein künstlicher Hals auf der Basis von lasergraviertem Graphen könnte dabei helfen, Rachenvibrationen zu überwachen und Signalunterschiede zwischen Husten, Summen, Schreien, Schlucken und Nicken zu erkennen Bewegungen. Lasergraviertes Graphen birgt auch großes Potenzial, wenn Sie einen künstlichen Biorezeptor schaffen möchten, der auf bestimmte Moleküle abzielt, verschiedene tragbare Biosensoren entwerfen oder sogar verschiedene telemedizinische Anwendungen ermöglichen möchten.
Erst 2004 wurde erstmals eine Methode zur Herstellung von Graphenschichten entwickelt, zumindest absichtlich. In den 17 Jahren seitdem hat eine Reihe paralleler Fortschritte endlich die Möglichkeit in den Vordergrund gerückt, die Art und Weise, wie Menschen mit Elektronik interagieren, zu revolutionieren. Im Vergleich zu allen bestehenden Methoden zur Herstellung und Herstellung graphenbasierter Geräte ermöglicht lasergraviertes Graphen einfache, massenproduzierbare, qualitativ hochwertige und kostengünstige Graphenmuster für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Änderung der Hautelektronik.
In naher Zukunft ist mit Fortschritten im Energiesektor zu rechnen, darunter Energiesteuerung, Energiegewinnung und Energiespeicherung. In naher Zukunft gibt es auch Fortschritte bei Sensoren, darunter physikalische Sensoren, Gassensoren und sogar Biosensoren. Die größten Die Revolution wird wahrscheinlich von Wearables ausgehen, einschließlich Geräten für diagnostische Telemedizinanwendungen. Natürlich bleiben viele Herausforderungen und Hindernisse bestehen. Aber diese Hindernisse erfordern eher schrittweise als revolutionäre Verbesserungen. Da vernetzte Geräte und das Internet der Dinge weiter wachsen, steigt der Bedarf an Ultrakleine Elektronik ist größer denn je. Mit den neuesten Fortschritten in der Graphen-Technologie ist die Zukunft in vielerlei Hinsicht bereits da.