Tin tức

Hầu hết mọi thứ chúng ta gặp trong thế giới hiện đại đều phụ thuộc vào thiết bị điện tử ở một mức độ nào đó. Kể từ lần đầu tiên chúng ta phát hiện ra cách sử dụng điện để tạo ra công cơ khí, chúng ta đã tạo ra các thiết bị lớn và nhỏ để cải thiện cuộc sống về mặt kỹ thuật. Từ đèn điện đến điện thoại thông minh, mọi thiết bị chúng tôi phát triển chỉ bao gồm một vài thành phần đơn giản được kết hợp với nhau theo nhiều cấu hình khác nhau. Trên thực tế, trong hơn một thế kỷ qua, chúng tôi đã dựa vào:
Cuộc cách mạng điện tử hiện đại của chúng ta dựa vào bốn loại thành phần này, cộng thêm - sau này là bóng bán dẫn, để mang lại cho chúng ta hầu hết mọi thứ chúng ta sử dụng ngày nay. Khi chúng ta chạy đua thu nhỏ các thiết bị điện tử, giám sát ngày càng nhiều khía cạnh của cuộc sống và thực tế, truyền tải nhiều dữ liệu hơn với ít năng lượng hơn và kết nối các thiết bị của chúng ta với nhau, chúng ta nhanh chóng vượt qua những giới hạn kinh điển này. Công nghệ. Nhưng, vào đầu những năm 2000, năm tiến bộ đã kết hợp với nhau và chúng đã bắt đầu biến đổi thế giới hiện đại của chúng ta. Mọi chuyện diễn ra như sau.
1.) Sự phát triển của graphene. Trong tất cả các vật liệu được tìm thấy trong tự nhiên hoặc được tạo ra trong phòng thí nghiệm, kim cương không còn là vật liệu cứng nhất nữa. Có sáu loại vật liệu cứng hơn, cứng nhất là graphene. Năm 2004, graphene, một tấm carbon dày nguyên tử khóa lại với nhau trong một mẫu tinh thể hình lục giác, vô tình bị cô lập trong phòng thí nghiệm. Chỉ sáu năm sau bước tiến này, những người phát hiện ra nó là Andrei Heim và Kostya Novoselov đã được trao giải Nobel Vật lý. Nó không chỉ là vật liệu cứng nhất từng được tạo ra, mà còn có khả năng đàn hồi đáng kinh ngạc. ứng suất vật lý, hóa học và nhiệt, nhưng nó thực sự là một mạng lưới nguyên tử hoàn hảo.
Graphene còn có những đặc tính dẫn điện hấp dẫn, nghĩa là nếu các thiết bị điện tử, bao gồm cả bóng bán dẫn, có thể được chế tạo từ graphene thay vì silicon, thì chúng có thể nhỏ hơn và nhanh hơn bất cứ thứ gì chúng ta có ngày nay. Nếu trộn graphene vào nhựa, nó có thể biến thành một vật liệu chịu nhiệt, bền hơn và còn dẫn điện. Ngoài ra, graphene trong suốt khoảng 98% với ánh sáng, điều đó có nghĩa là nó mang tính cách mạng đối với màn hình cảm ứng trong suốt, tấm phát sáng và thậm chí cả pin mặt trời. Như Quỹ Nobel đã nói 11 năm trước đây, “có lẽ chúng ta đang tiến tới một quá trình thu nhỏ các thiết bị điện tử khác sẽ giúp máy tính trở nên hiệu quả hơn trong tương lai”.
2.) Điện trở gắn trên bề mặt. Đây là công nghệ “mới” lâu đời nhất và có lẽ quen thuộc với những ai từng mổ xẻ máy tính hoặc điện thoại di động. Điện trở gắn trên bề mặt là một vật hình chữ nhật nhỏ, thường được làm bằng gốm, có các cạnh dẫn điện ở cả hai kết thúc. Sự phát triển của gốm sứ, có khả năng chống lại dòng điện mà không tiêu tán nhiều năng lượng hoặc nhiệt, đã giúp tạo ra các điện trở vượt trội hơn các điện trở truyền thống cũ được sử dụng trước đây: điện trở dẫn hướng trục.
Những đặc tính này làm cho nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại, đặc biệt là các thiết bị di động và công suất thấp. Nếu cần điện trở, bạn có thể sử dụng một trong các SMD (thiết bị gắn trên bề mặt) này để giảm kích thước bạn cần cho điện trở hoặc để tăng kích thước. sức mạnh mà bạn có thể áp dụng cho chúng trong cùng giới hạn về kích thước.
3.) Siêu tụ điện. Tụ điện là một trong những công nghệ điện tử lâu đời nhất. Chúng dựa trên một thiết lập đơn giản trong đó hai bề mặt dẫn điện (tấm, hình trụ, vỏ hình cầu, v.v.) cách nhau một khoảng nhỏ và hai bề mặt đó các bề mặt có thể duy trì các điện tích bằng nhau và ngược dấu. Khi bạn cố gắng cho dòng điện chạy qua tụ điện, nó sẽ tích điện và khi bạn tắt dòng điện hoặc nối hai bản tụ lại thì tụ điện sẽ phóng điện. Tụ điện có rất nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc lưu trữ năng lượng, một sự bùng nổ nhanh chóng của năng lượng được giải phóng và thiết bị điện tử áp điện, trong đó sự thay đổi áp suất của thiết bị tạo ra tín hiệu điện.
Tất nhiên, việc tạo ra nhiều tấm cách nhau những khoảng cách nhỏ trên quy mô rất, rất nhỏ không chỉ là thách thức mà còn bị hạn chế về cơ bản. Những tiến bộ gần đây về vật liệu—đặc biệt là canxi đồng titanate (CCTO)—có thể lưu trữ lượng điện tích lớn trong không gian nhỏ: siêu tụ điện. Những thiết bị thu nhỏ này có thể được sạc và xả nhiều lần trước khi hao mòn;sạc và xả nhanh hơn;và lưu trữ năng lượng gấp 100 lần trên mỗi đơn vị thể tích của các tụ điện cũ. Chúng là một công nghệ thay đổi cuộc chơi khi nói đến việc thu nhỏ các thiết bị điện tử.
4.) Siêu cuộn cảm. Là sản phẩm cuối cùng trong “Bộ ba lớn”, chất siêu dẫn là sản phẩm mới nhất ra mắt cho đến năm 2018. Cuộn cảm về cơ bản là một cuộn dây có dòng điện được sử dụng với lõi từ hóa. Các cuộn cảm phản đối những thay đổi trong từ tính bên trong của chúng trường, có nghĩa là nếu bạn cố gắng cho dòng điện chạy qua nó, nó sẽ cản trở một lúc, sau đó cho phép dòng điện chạy tự do qua nó, và cuối cùng lại chống lại sự thay đổi khi bạn tắt dòng điện. Cùng với điện trở và tụ điện, chúng là những ba phần tử cơ bản của tất cả các mạch điện. Nhưng một lần nữa, có giới hạn về mức độ nhỏ mà chúng có thể đạt được.
Vấn đề là giá trị độ tự cảm phụ thuộc vào diện tích bề mặt của cuộn cảm, đây là kẻ giết người trong mơ về mặt thu nhỏ. Nhưng ngoài độ tự cảm từ cổ điển, còn có khái niệm về độ tự cảm động năng: quán tính của Bản thân các hạt mang dòng điện ngăn cản những thay đổi trong chuyển động của chúng. Cũng giống như những con kiến ​​trong một hàng phải “nói chuyện” với nhau để thay đổi tốc độ của chúng, những hạt mang dòng điện này, giống như các electron, cần tác dụng một lực lên nhau để tăng tốc độ. hoặc chậm lại. Khả năng chống lại sự thay đổi này tạo ra cảm giác chuyển động. Dưới sự lãnh đạo của Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử nano của Kaustav Banerjee, một cuộn cảm động năng sử dụng công nghệ graphene hiện đã được phát triển: vật liệu có mật độ điện cảm cao nhất từng được ghi nhận.
5.) Đặt graphene vào bất kỳ thiết bị nào. Bây giờ hãy kiểm tra. Chúng tôi có graphene. Chúng tôi có các phiên bản “siêu” của điện trở, tụ điện và cuộn cảm – thu nhỏ, chắc chắn, đáng tin cậy và hiệu quả. Rào cản cuối cùng trong cuộc cách mạng siêu thu nhỏ trong điện tử , ít nhất về mặt lý thuyết, là khả năng biến bất kỳ thiết bị nào (được làm từ hầu hết mọi vật liệu) thành thiết bị điện tử. Để thực hiện được điều này, tất cả những gì chúng ta cần là khả năng nhúng các thiết bị điện tử dựa trên graphene vào bất kỳ loại vật liệu nào chúng ta muốn, bao gồm cả các vật liệu dẻo. Thực tế là graphene có tính lưu động, tính linh hoạt, độ bền và độ dẫn điện tốt, đồng thời vô hại với con người, khiến nó trở nên lý tưởng cho mục đích này.
Trong vài năm qua, các thiết bị graphene và graphene đã được chế tạo theo cách mà chỉ có thể đạt được thông qua một số quy trình khá nghiêm ngặt. Bạn có thể oxy hóa than chì cũ đơn giản, hòa tan nó trong nước và tạo ra graphene bằng hơi hóa học lắng đọng. Tuy nhiên, chỉ có một số chất nền mà graphene có thể được lắng đọng theo cách này. Bạn có thể khử graphene oxit về mặt hóa học, nhưng nếu làm vậy, bạn sẽ thu được graphene chất lượng kém. Bạn cũng có thể sản xuất graphene bằng cách tẩy da chết cơ học , nhưng điều này không cho phép bạn kiểm soát kích thước hoặc độ dày của graphene mà bạn tạo ra.
Đây là lúc những tiến bộ về graphene được khắc bằng laser xuất hiện. Có hai cách chính để đạt được điều này. Một là bắt đầu với graphene oxit. Tương tự như trước: bạn lấy than chì và oxy hóa nó, nhưng thay vì khử nó về mặt hóa học, bạn giảm nó bằng tia laser. Không giống như graphene oxit bị khử về mặt hóa học, nó là sản phẩm chất lượng cao có thể được sử dụng trong các siêu tụ điện, mạch điện tử và thẻ nhớ, cùng nhiều loại khác.
Bạn cũng có thể sử dụng polyimide, một loại nhựa nhiệt độ cao và tạo mẫu graphene trực tiếp bằng tia laser. Tia laser phá vỡ các liên kết hóa học trong mạng lưới polyimide và các nguyên tử carbon tự tổ chức lại về mặt nhiệt để tạo thành các tấm graphene mỏng, chất lượng cao. Polyimide đã cho thấy rất nhiều ứng dụng tiềm năng, bởi vì nếu bạn có thể khắc các mạch graphene lên nó, về cơ bản bạn có thể biến bất kỳ hình dạng polyimide nào thành các thiết bị điện tử có thể đeo được. Những ứng dụng này, có thể kể tên một số, bao gồm:
Nhưng có lẽ điều thú vị nhất—với sự xuất hiện, gia tăng và sự phổ biến của những khám phá mới về graphene được khắc bằng laser—là những gì hiện có thể thực hiện được. Với graphene được khắc bằng laser, bạn có thể thu hoạch và lưu trữ năng lượng: một thiết bị kiểm soát năng lượng .Một trong những ví dụ điển hình nhất về việc công nghệ không tiến bộ là pin. Ngày nay, chúng ta hầu như sử dụng các chất hóa học pin khô để lưu trữ năng lượng điện, một công nghệ đã có từ hàng thế kỷ. Nguyên mẫu của các thiết bị lưu trữ mới, chẳng hạn như pin kẽm-không khí và trạng thái rắn tụ điện hóa linh hoạt đã được tạo ra.
Với graphene được khắc bằng laser, chúng ta không chỉ có thể cách mạng hóa cách lưu trữ năng lượng mà còn có thể tạo ra các thiết bị đeo được có thể chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng: máy phát điện nano ma sát. Chúng ta có thể tạo ra quang điện hữu cơ đáng chú ý có tiềm năng cách mạng hóa năng lượng mặt trời. Chúng tôi cũng có thể tạo ra pin nhiên liệu sinh học linh hoạt;khả năng là rất lớn. Trên lĩnh vực thu thập và lưu trữ năng lượng, các cuộc cách mạng đều diễn ra trong thời gian ngắn.
Hơn nữa, graphene được khắc bằng laser sẽ mở ra một kỷ nguyên của các cảm biến chưa từng có. Điều này bao gồm các cảm biến vật lý, vì những thay đổi vật lý (chẳng hạn như nhiệt độ hoặc biến dạng) gây ra những thay đổi về tính chất điện như điện trở và trở kháng (bao gồm cả sự đóng góp của điện dung và độ tự cảm). ). Nó cũng bao gồm các thiết bị phát hiện những thay đổi về tính chất và độ ẩm của khí, và – khi áp dụng vào cơ thể con người – những thay đổi vật lý trong các dấu hiệu quan trọng của ai đó. Ví dụ, ý tưởng về máy quay phim lấy cảm hứng từ Star Trek có thể nhanh chóng trở nên lỗi thời bởi chỉ cần gắn miếng dán theo dõi các dấu hiệu quan trọng để cảnh báo ngay lập tức cho chúng ta về bất kỳ thay đổi đáng lo ngại nào trong cơ thể.
Dòng suy nghĩ này cũng có thể mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới: cảm biến sinh học dựa trên công nghệ graphene được khắc bằng laser. Cổ họng nhân tạo dựa trên graphene được khắc bằng laser có thể giúp theo dõi rung động của cổ họng, xác định sự khác biệt về tín hiệu giữa ho, vo ve, la hét, nuốt và gật đầu chuyển động. Graphene được khắc bằng laser cũng có tiềm năng lớn nếu bạn muốn tạo ra một cơ quan thụ cảm sinh học nhân tạo có thể nhắm mục tiêu vào các phân tử cụ thể, thiết kế các cảm biến sinh học có thể đeo khác nhau hoặc thậm chí giúp kích hoạt các ứng dụng y học từ xa khác nhau.
Phải đến năm 2004, phương pháp sản xuất tấm graphene, ít nhất là có chủ ý, mới được phát triển. Trong 17 năm kể từ đó, một loạt tiến bộ song song cuối cùng đã đưa khả năng cách mạng hóa cách con người tương tác với thiết bị điện tử lên hàng đầu. So với tất cả các phương pháp sản xuất và chế tạo các thiết bị dựa trên graphene hiện có, graphene được khắc bằng laser cho phép tạo ra các mẫu graphene đơn giản, có thể sản xuất hàng loạt, chất lượng cao và rẻ tiền trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả thay đổi thiết bị điện tử trên da.
Trong tương lai gần, thật hợp lý khi kỳ vọng vào những tiến bộ trong lĩnh vực năng lượng, bao gồm kiểm soát năng lượng, thu hoạch năng lượng và lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, trong thời gian tới còn có những tiến bộ về cảm biến, bao gồm cảm biến vật lý, cảm biến khí và thậm chí cả cảm biến sinh học. cuộc cách mạng có thể đến từ các thiết bị đeo, bao gồm các thiết bị dành cho ứng dụng chẩn đoán y tế từ xa. Chắc chắn là vẫn còn nhiều thách thức và trở ngại. Nhưng những trở ngại này đòi hỏi những cải tiến tăng dần thay vì mang tính cách mạng. Khi các thiết bị được kết nối và Internet vạn vật tiếp tục phát triển, nhu cầu về thiết bị điện tử siêu nhỏ đang trở nên tuyệt vời hơn bao giờ hết. Với những tiến bộ mới nhất trong công nghệ graphene, tương lai đã ở đây về nhiều mặt.