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Quasi tutto ciò che incontriamo nel mondo moderno si basa in una certa misura sull'elettronica. Da quando abbiamo scoperto come utilizzare l'elettricità per generare lavoro meccanico, abbiamo creato dispositivi grandi e piccoli per migliorare tecnicamente la nostra vita. Dalle luci elettriche agli smartphone, ogni dispositivo che sviluppiamo è costituito da pochi semplici componenti assemblati insieme in varie configurazioni. Da oltre un secolo, infatti, ci affidiamo a:
La nostra moderna rivoluzione elettronica si basa su questi quattro tipi di componenti, più – più tardi – sui transistor, per fornirci quasi tutto ciò che usiamo oggi. Mentre corriamo a miniaturizzare i dispositivi elettronici, monitoriamo sempre più aspetti della nostra vita e della realtà, trasmettiamo più dati con meno energia e colleghiamo i nostri dispositivi tra loro, ci imbattiamo rapidamente in questi limiti classici. Tecnologia. Ma, all'inizio degli anni 2000, cinque progressi si sono riuniti e hanno iniziato a trasformare il nostro mondo moderno. Ecco come è andata.
1.) Sviluppo del grafene. Di tutti i materiali presenti in natura o creati in laboratorio, il diamante non è più il materiale più duro. Ce ne sono sei più duri, il più duro è il grafene. Nel 2004, il grafene, un foglio di carbonio spesso un atomo racchiusi insieme in uno schema cristallino esagonale, fu accidentalmente isolato in laboratorio. Solo sei anni dopo questo progresso, i suoi scopritori Andrei Heim e Kostya Novoselov furono insigniti del Premio Nobel per la fisica. Non solo è il materiale più duro mai realizzato, incredibilmente resistente agli stress fisico, chimico e termico, ma in realtà è un perfetto reticolo di atomi.
Il grafene ha anche affascinanti proprietà conduttive, il che significa che se i dispositivi elettronici, compresi i transistor, potessero essere realizzati in grafene anziché in silicio, potrebbero potenzialmente essere più piccoli e più veloci di qualsiasi cosa abbiamo oggi. Se il grafene viene mescolato con la plastica, può essere trasformato in un materiale resistente al calore e più forte che conduce anche l'elettricità. Inoltre, il grafene è trasparente alla luce per circa il 98%, il che significa che è rivoluzionario per touchscreen trasparenti, pannelli emettitori di luce e persino celle solari. Come ha affermato la Fondazione Nobel 11 anni fa, “forse siamo sull’orlo di un’altra miniaturizzazione dell’elettronica che porterà i computer a diventare più efficienti in futuro”.
2.) Resistori a montaggio superficiale. Questa è la "nuova" tecnologia più antica ed è probabilmente familiare a chiunque abbia sezionato un computer o un telefono cellulare. Un resistore a montaggio superficiale è un minuscolo oggetto rettangolare, solitamente in ceramica, con bordi conduttivi su entrambi termina.Lo sviluppo della ceramica, che resiste al flusso di corrente senza dissipare molta potenza o calore, ha reso possibile la creazione di resistori superiori ai resistori tradizionali più vecchi utilizzati prima: resistori a conduttore assiale.
Queste proprietà lo rendono ideale per l'uso nell'elettronica moderna, in particolare nei dispositivi mobili e a basso consumo. Se hai bisogno di un resistore, puoi utilizzare uno di questi SMD (dispositivi a montaggio superficiale) per ridurre le dimensioni necessarie per i resistori o per aumentare la potenza che puoi applicare loro entro gli stessi limiti di dimensione.
3.) Supercondensatori. I condensatori sono una delle tecnologie elettroniche più antiche. Si basano su una semplice configurazione in cui due superfici conduttrici (piastre, cilindri, gusci sferici, ecc.) sono separate l'una dall'altra da una piccola distanza e le due le superfici sono in grado di mantenere cariche uguali e opposte. Quando si tenta di far passare la corrente attraverso il condensatore, questo si carica e quando si spegne la corrente o si collegano le due piastre il condensatore si scarica. I condensatori hanno un'ampia gamma di applicazioni, incluso l'accumulo di energia, un rapida esplosione di energia rilasciata ed elettronica piezoelettrica, in cui i cambiamenti nella pressione del dispositivo generano segnali elettrici.
Naturalmente, realizzare più piastre separate da distanze minuscole su scala molto, molto piccola non è solo impegnativo ma fondamentalmente limitato. I recenti progressi nei materiali, in particolare il titanato di calcio e rame (CCTO), possono immagazzinare grandi quantità di carica in spazi minuscoli: i supercondensatori. Questi dispositivi miniaturizzati possono essere caricati e scaricati più volte prima di consumarsi;caricare e scaricare più velocemente;e immagazzinano 100 volte l'energia per unità di volume dei condensatori più vecchi. Si tratta di una tecnologia rivoluzionaria quando si tratta di miniaturizzare l'elettronica.
4.) Super induttori. Essendo l'ultimo dei "Tre Grandi", il superinduttore è l'ultimo ad uscire fino al 2018. Un induttore è fondamentalmente una bobina con una corrente utilizzata con un nucleo magnetizzabile. Gli induttori si oppongono ai cambiamenti nella loro struttura magnetica interna campo, il che significa che se si tenta di lasciare che la corrente lo attraversi, resiste per un po', poi consente alla corrente di fluire liberamente attraverso di esso e infine resiste nuovamente ai cambiamenti quando si interrompe la corrente. Insieme a resistori e condensatori, sono i tre elementi base di tutti i circuiti. Ma ancora una volta, c'è un limite a quanto piccoli possono diventare.
Il problema è che il valore dell'induttanza dipende dalla superficie dell'induttore, che è un sogno killer in termini di miniaturizzazione. Ma oltre alla classica induttanza magnetica, esiste anche il concetto di induttanza dell'energia cinetica: l'inerzia di le stesse particelle che trasportano corrente impediscono cambiamenti nel loro movimento. Proprio come le formiche in fila devono "parlare" tra loro per cambiare la loro velocità, queste particelle che trasportano corrente, come gli elettroni, devono esercitare una forza l'una sull'altra per accelerare o rallentare. Questa resistenza al cambiamento crea un senso di movimento. Sotto la guida del laboratorio di ricerca sulla nanoelettronica di Kaustav Banerjee, è stato sviluppato un induttore di energia cinetica che utilizza la tecnologia del grafene: il materiale con la densità di induttanza più alta mai registrata.
5.) Metti il ​​grafene in qualsiasi dispositivo. Ora facciamo il punto. Abbiamo il grafene. Abbiamo versioni "super" di resistori, condensatori e induttori: miniaturizzati, robusti, affidabili ed efficienti. L'ultimo ostacolo nella rivoluzione dell'ultra-miniaturizzazione nell'elettronica , almeno in teoria, è la capacità di trasformare qualsiasi dispositivo (fatto di quasi tutti i materiali) in un dispositivo elettronico. Per renderlo possibile, tutto ciò di cui abbiamo bisogno è la capacità di incorporare componenti elettronici basati sul grafene in qualsiasi tipo di materiale desideriamo, compresi materiali flessibili. Il fatto che il grafene abbia una buona fluidità, flessibilità, resistenza e conduttività, pur essendo innocuo per l'uomo, lo rende ideale per questo scopo.
Negli ultimi anni, il grafene e i dispositivi al grafene sono stati fabbricati in un modo che è stato raggiunto solo attraverso una manciata di processi essi stessi abbastanza rigorosi. Puoi ossidare la semplice vecchia grafite, scioglierla in acqua e produrre grafene tramite vapore chimico. deposizione.Tuttavia, ci sono solo pochi substrati su cui il grafene può essere depositato in questo modo.Puoi ridurre chimicamente l'ossido di grafene, ma se lo fai, ti ritroverai con grafene di scarsa qualità.Puoi anche produrre grafene mediante esfoliazione meccanica , ma ciò non ti consente di controllare la dimensione o lo spessore del grafene che produci.
È qui che entrano in gioco i progressi nel grafene inciso al laser. Ci sono due modi principali per raggiungere questo obiettivo. Uno è iniziare con l'ossido di grafene. Come prima: prendi la grafite e la ossida, ma invece di ridurla chimicamente, la riduci con un laser. A differenza dell'ossido di grafene ridotto chimicamente, è un prodotto di alta qualità che può essere utilizzato, tra gli altri, nei supercondensatori, nei circuiti elettronici e nelle schede di memoria.
Puoi anche utilizzare la poliimmide, una plastica ad alta temperatura, e modellare il grafene direttamente con un laser. Il laser rompe i legami chimici nella rete di poliimmide e gli atomi di carbonio si riorganizzano termicamente per formare fogli sottili di grafene di alta qualità. La poliimmide ha dimostrato un sacco di potenziali applicazioni, perché se riesci a incidere circuiti di grafene su di esso, puoi praticamente trasformare qualsiasi forma di poliimmide in dispositivi elettronici indossabili. Questi, per citarne alcuni, includono:
Ma forse la cosa più interessante, data l’emergere, l’ascesa e l’ubiquità delle nuove scoperte del grafene inciso al laser, è l’orizzonte di ciò che è attualmente possibile. Con il grafene inciso al laser, puoi raccogliere e immagazzinare energia: un dispositivo di controllo dell’energia. .Uno degli esempi più eclatanti di tecnologia che non riesce ad avanzare sono le batterie. Oggi utilizziamo quasi la chimica delle celle a secco per immagazzinare energia elettrica, una tecnologia vecchia di secoli. Prototipi di nuovi dispositivi di accumulo, come batterie zinco-aria e batterie a stato solido sono stati creati condensatori elettrochimici flessibili.
Con il grafene inciso al laser, non solo possiamo rivoluzionare il modo in cui immagazziniamo energia, ma possiamo anche creare dispositivi indossabili che convertono l'energia meccanica in elettricità: nanogeneratori triboelettrici. Possiamo creare straordinari fotovoltaici organici che hanno il potenziale di rivoluzionare l'energia solare. potrebbe anche produrre celle a biocarburante flessibili;le possibilità sono enormi. Sulle frontiere della raccolta e dello stoccaggio dell’energia, le rivoluzioni sono tutte a breve termine.
Inoltre, il grafene inciso al laser dovrebbe inaugurare un’era di sensori senza precedenti. Ciò include sensori fisici, poiché i cambiamenti fisici (come temperatura o deformazione) causano cambiamenti nelle proprietà elettriche come resistenza e impedenza (che includono anche i contributi di capacità e induttanza). ). Comprende anche dispositivi che rilevano cambiamenti nelle proprietà del gas e nell'umidità e, se applicati al corpo umano, cambiamenti fisici nei segni vitali di qualcuno. Ad esempio, l'idea di un tricorder ispirato a Star Trek potrebbe rapidamente diventare obsoleta se semplicemente attaccando un cerotto per il monitoraggio dei segni vitali che ci avvisa immediatamente di eventuali cambiamenti preoccupanti nel nostro corpo.
Questa linea di pensiero potrebbe anche aprire un campo completamente nuovo: biosensori basati sulla tecnologia del grafene inciso al laser. Una gola artificiale basata sul grafene inciso al laser potrebbe aiutare a monitorare le vibrazioni della gola, identificando le differenze di segnale tra tosse, ronzio, urla, deglutizione e annuire. movimenti. Il grafene inciso al laser ha anche un grande potenziale se si desidera creare un biorecettore artificiale in grado di colpire molecole specifiche, progettare vari biosensori indossabili o persino contribuire a consentire varie applicazioni di telemedicina.
Fu solo nel 2004 che fu sviluppato per la prima volta un metodo per produrre fogli di grafene, almeno intenzionalmente. Nei 17 anni successivi, una serie di progressi paralleli ha finalmente portato in primo piano la possibilità di rivoluzionare il modo in cui gli esseri umani interagiscono con l'elettronica. Rispetto a tutti i metodi esistenti di produzione e fabbricazione di dispositivi basati su grafene, il grafene inciso al laser consente modelli di grafene semplici, producibili in serie, di alta qualità ed economici in una varietà di applicazioni, incluso il cambiamento dell'elettronica della pelle.
Nel prossimo futuro, è ragionevole aspettarsi progressi nel settore energetico, tra cui il controllo energetico, la raccolta e l’immagazzinamento dell’energia. Nel breve termine ci saranno anche progressi nei sensori, inclusi sensori fisici, sensori di gas e persino biosensori. La rivoluzione arriverà probabilmente dai dispositivi indossabili, compresi i dispositivi per applicazioni diagnostiche di telemedicina. Certo, rimangono molte sfide e ostacoli. Ma questi ostacoli richiedono miglioramenti incrementali anziché rivoluzionari. Con la continua crescita dei dispositivi connessi e dell'Internet delle cose, la necessità di l'elettronica ultra-piccola è più grande che mai. Con gli ultimi progressi nella tecnologia del grafene, il futuro è già qui in molti modi.