Laser

Fast alles, was uns in unserer modernen Welt begegnet, ist in irgendeiner Weise auf Elektronik angewiesen. Seit wir erstmals entdeckt haben, wie wir die Kraft der Elektrizität zur Erzeugung mechanischer Arbeit nutzen können, haben wir große und kleine Geräte entwickelt, um unser Leben technologisch zu verbessern. Von der elektrischen Beleuchtung bis zum Smartphone besteht jedes von uns entwickelte Gerät aus nur wenigen einfachen Komponenten, die in den unterschiedlichsten Konfigurationen zusammengefügt sind. Tatsächlich verlassen wir uns seit mehr als einem Jahrhundert auf:

Sie stellen die Kernkomponenten praktisch aller unserer Geräte dar.

Unsere moderne Elektronikrevolution, die auf diesen vier Arten von Komponenten und – etwas später – dem Transistor beruhte, hat uns praktisch jeden Gegenstand beschert, den wir heute verwenden. Während wir versuchen, die Elektronik zu miniaturisieren, immer mehr Aspekte unseres Lebens und unserer Realität zu überwachen, größere Datenmengen mit geringerer Leistung zu übertragen und unsere Geräte miteinander zu verbinden, stoßen wir schnell an die Grenzen dieser Klassiker Technologien. Aber zu Beginn des 21. Jahrhunderts kommen fünf Fortschritte zusammen, und sie beginnen bereits, unsere moderne Welt zu verändern. Hier erfahren Sie, wie sich alles entwickelt.

1.) Die Entwicklung von Graphen . Von allen Materialien, die jemals in der Natur entdeckt oder im Labor hergestellt wurden, sind Diamanten nicht mehr die härtesten. Es gibt sechs, die härter sind, wobei Graphen das härteste ist. Graphen wurde 2004 zufällig im Labor isoliert und ist eine ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die in einem sechseckigen Kristallmuster zusammengehalten wird. Nur sechs Jahre nach diesem Fortschritt erhielten seine Entdecker Andre Geim und Kostya Novoselov den Nobelpreis für Physik. Es ist nicht nur das härteste Material aller Zeiten mit einer unglaublichen Widerstandsfähigkeit gegenüber physikalischen, chemischen und thermischen Belastungen, sondern es ist im wahrsten Sinne des Wortes das perfekte Atomgitter.

Graphen verfügt außerdem über faszinierende Leitfähigkeitseigenschaften, was bedeutet, dass elektronische Geräte, einschließlich Transistoren, aus Graphen anstelle von Silizium hergestellt werden könnten, sie könnten kleiner und schneller sein als alles, was wir heute haben. Wenn man Graphen in Kunststoffe einmischt, könnte man Kunststoff in ein hitzebeständiges, stärkeres Material umwandeln, das auch Strom leitet. Darüber hinaus ist Graphen zu etwa 98 % lichtdurchlässig, was bedeutet, dass es revolutionäre Auswirkungen auf transparente Touchscreens, lichtemittierende Panels und sogar Solarzellen hat. Die Nobelstiftung formulierte es noch vor elf Jahren so: „Vielleicht stehen wir vor einer weiteren Miniaturisierung der Elektronik, die dazu führen wird, dass Computer in Zukunft noch effizienter werden.“

Aber nur, wenn neben dieser Entwicklung auch andere Fortschritte erfolgten. Zum Glück haben sie es.

2.) Oberflächenmontierte Widerstände . Dies ist die älteste der „neuen“ Technologien, die wahrscheinlich jedem bekannt ist, der jemals einen Computer oder ein Mobiltelefon seziert hat. Ein oberflächenmontierter Widerstand ist ein winziges rechteckiges Objekt, das normalerweise aus Keramik besteht und an beiden Enden leitende Kanten aufweist. Die Entwicklung von Keramiken, die dem Fluss von elektrischem Strom widerstehen, aber keine Energie verbrauchen oder sich so stark erwärmen, ermöglichte die Entwicklung von Widerständen, die den älteren, herkömmlichen Widerständen, die zuvor verwendet wurden, überlegen sind: axial bedrahtete Widerstände.

Diese kleinen Widerstände bieten insbesondere enorme Vorteile, darunter:

Diese Eigenschaften machen sie ideal für den Einsatz in modernen elektronischen Geräten, insbesondere in stromsparenden und mobilen Geräten. Wenn Sie einen Widerstand benötigen, können Sie eines dieser SMD-Geräte (oberflächenmontierte Geräte) verwenden, um entweder die für Ihre Widerstände erforderliche Größe zu verringern oder die Leistung zu erhöhen, die Sie ihnen bei gleichen Größenbeschränkungen zuführen können.

3.) Superkondensatoren . Kondensatoren gehören zu den ältesten Elektroniktechnologien überhaupt. Sie basieren auf einem einfachen Aufbau, bei dem zwei leitende Oberflächen (Platten, Zylinder, Kugelschalen usw.) durch einen sehr geringen Abstand voneinander getrennt sind und diese beiden Oberflächen gleiche und entgegengesetzte Ladungen halten können. Wenn Sie versuchen, Strom durch einen Kondensator zu leiten, lädt er sich auf; Wenn Sie entweder den Strom abschalten oder die beiden Platten verbinden, entlädt sich der Kondensator. Kondensatoren haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Energiespeicherung über schnelle Stöße, die Energie auf einmal freisetzen, bis hin zur Piezoelektronik, bei der eine Änderung des Drucks Ihres Geräts ein elektronisches Signal erzeugt.

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 Kalzium-Kupfer-Titanat (CCTO) – ermöglichen die Speicherung großer Ladungsmengen auf kleinstem Raum: Superkondensatoren. Diese miniaturisierten Geräte können viele Male aufgeladen und entladen werden, bevor sie verschleißen. laden und entladen viel schneller; und speichern bis zu 100-mal mehr Energie pro Volumeneinheit als herkömmliche Kondensatoren. Sie sind eine bahnbrechende Technologie, was die miniaturisierte Elektronik betrifft.

4.) Superinduktoren . Als letzte der „großen Drei“, die entwickelt wurden, sind Suprainduktoren der neueste Akteur auf dem Markt, da sie erst 2018 auf den Markt kamen. Ein Induktor ist im Grunde eine Drahtspule, ein Strom und ein magnetisierbarer Kern, die alle zusammen verwendet werden. Induktivitäten wirken einer Änderung des Magnetfelds in ihrem Inneren entgegen. Wenn Sie also versuchen, einen Strom durch sie fließen zu lassen, widersetzt sich die Induktivität dieser eine Zeit lang, lässt dann den Strom ungehindert durch sie fließen und widersetzt sich schließlich der Änderung erneut, wenn Sie sie drehen der Strom aus. Zusammen mit Widerständen und Kondensatoren sind sie die drei Grundelemente aller Schaltkreise. Aber auch hier gibt es eine Grenze dafür, wie klein sie werden können.

Das Problem besteht darin, dass der Wert der Induktivität von der Oberfläche des Induktors abhängt, was im Hinblick auf die Miniaturisierung ein Traumkiller ist. Aber statt der klassischen magnetischen Induktivität gibt es auch das Konzept der kinetischen Induktivität: Dabei wirkt die Trägheit der stromführenden Teilchen selbst einer Änderung ihrer Bewegung entgegen. So wie Ameisen, die in einer Reihe marschieren, miteinander „sprechen“ müssen, um ihre Geschwindigkeit zu ändern, müssen diese stromführenden Teilchen, wie Elektronen, eine Kraft aufeinander ausüben, um sie zu beschleunigen oder abzubremsen. Dieser Widerstand gegen Veränderungen erzeugt eine kinetische Induktivität. Unter der Leitung des Nanoelectronics Research Lab von Kaustav Banerjee wurden nun kinetische Induktoren entwickelt, die die Graphen-Technologie nutzen: das Material mit der höchsten Induktivitätsdichte, das jemals geschaffen wurde.

5.) Einbringen von Graphen in ein beliebiges Gerät . Lassen Sie uns jetzt Bilanz ziehen. Wir haben Graphen. Wir haben „Super“-Versionen – miniaturisiert, robust, zuverlässig und effizient – ​​von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten. Das letzte Hindernis für eine ultraminiaturisierte Revolution in der Elektronik ist zumindest theoretisch die Möglichkeit, jedes Gerät aus praktisch jedem Material in ein elektronisches Gerät umzuwandeln. Alles, was wir brauchen, um dies zu ermöglichen, ist die Einbettung graphenbasierter Elektronik in jede Art von Material, einschließlich flexibler Materialien, die wir wünschen. Die Tatsache, dass Graphen eine gute Beweglichkeit, Flexibilität, Festigkeit und Leitfähigkeit bietet und gleichzeitig gut für den menschlichen Körper ist, macht es ideal für diesen Zweck.

In den letzten Jahren erfolgte die Herstellung von Graphen und Graphengeräten nur durch eine kleine Handvoll Prozesse, die selbst recht restriktiv waren. Sie können einfachen alten Graphit nehmen und ihn oxidieren, ihn dann in Wasser auflösen und dann durch chemische Gasphasenabscheidung Graphen herstellen. Allerdings ist es nur auf wenigen Substraten möglich, auf diese Weise Graphen abzuscheiden. Man könnte das Graphenoxid chemisch reduzieren, aber auf diese Weise erhält man Graphen von schlechter Qualität. Sie könnten Graphen auch durch mechanisches Peeling herstellen, aber damit haben Sie keine Kontrolle über die Größe oder Dicke des produzierten Graphens.

Wenn wir nur diese letzte Hürde überwinden könnten, dann könnte eine Revolution in der Elektronik unmittelbar bevorstehen.

Hier kommt der Fortschritt des lasergravierten Graphens ins Spiel. Es gibt zwei Hauptwege, wie dies erreicht werden kann. Eine davon besteht darin, mit Graphenoxid zu beginnen. Wie zuvor: Man nimmt Graphit und oxidiert ihn, aber anstatt ihn chemisch zu reduzieren, reduziert man ihn mit einem Laser. Im Gegensatz zu chemisch reduziertem Graphenoxid handelt es sich hierbei um ein qualitativ hochwertiges Produkt, das unter anderem in Superkondensatoren, elektronischen Schaltkreisen und Speicherkarten Anwendung finden kann.

Sie können auch Polyimid – einen Hochtemperaturkunststoff – nehmen und Graphen mit Lasern direkt darauf strukturieren. Die Laser brechen chemische Bindungen im Polyimidnetzwerk und die Kohlenstoffatome organisieren sich thermisch neu, wodurch dünne, hochwertige Graphenschichten entstehen. Es wurde bereits eine enorme Anzahl potenzieller Anwendungen für Polyimid demonstriert, da man grundsätzlich jede Form von Polyimid in ein tragbares elektronisches Gerät verwandeln kann, wenn man einen Graphen-Schaltkreis darauf gravieren kann. Dazu gehören, um nur einige zu nennen:

Aber was vielleicht am aufregendsten ist – wenn man das Aufkommen, den Aufstieg und die neu entdeckte Allgegenwärtigkeit von lasergraviertem Graphen bedenkt – liegt am Horizont dessen, was derzeit möglich ist. Mit lasergraviertem Graphen könnte man Energie gewinnen und speichern: ein Energiekontrollgerät. Eines der krassesten Beispiele dafür, dass die Technologie keine Fortschritte gemacht hat, ist die Batterie. Heutzutage speichern wir elektrische Energie im Wesentlichen mit chemischen Trockenzellenbatterien, einer jahrhundertealten Technologie. Es wurden bereits Prototypen neuer Speichergeräte wie Zink-Luft-Batterien und flexible elektrochemische Festkörperkondensatoren erstellt.

Mit lasergraviertem Graphen könnten wir möglicherweise nicht nur die Art und Weise, wie wir Energie speichern, revolutionieren, sondern auch tragbare Geräte entwickeln, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln: triboelektrische Nanogeneratoren. Wir könnten überlegene organische Photovoltaikgeräte entwickeln und damit möglicherweise die Solarenergie revolutionieren. Wir könnten auch flexible Biobrennstoffzellen entwickeln; die Möglichkeiten sind riesig. Sowohl bei der Gewinnung als auch bei der Speicherung von Energie stehen kurzfristig Revolutionen bevor.

Darüber hinaus dürfte lasergraviertes Graphen eine beispiellose Ära der Sensoren einläuten. Hierzu zählen auch physikalische Sensoren, da physikalische Veränderungen wie Temperatur oder Dehnung zu Veränderungen der elektrischen Eigenschaften wie Widerstand und Impedanz führen können (wozu auch Beiträge von Kapazität und Induktivität gehören). Dazu gehören auch Geräte, die Veränderungen der Gaseigenschaften und der Luftfeuchtigkeit sowie – bei Anwendung auf den menschlichen Körper – physikalische Veränderungen der Vitalfunktionen einer Person erkennen. Die von Star Trek inspirierte Idee eines Tricorders könnte beispielsweise schnell obsolet werden, indem einfach ein Patch zur Überwachung der Vitalfunktionen angebracht wird, der uns sofort auf besorgniserregende Veränderungen in unserem Körper aufmerksam macht.

Dieser Gedankengang kann auch ein ganz neues Feld eröffnen: Biosensoren auf Basis der lasergravierten Graphen-Technologie. Ein künstlicher Hals aus lasergraviertem Graphen kann dabei helfen, die Vibrationen im Hals zu überwachen und die Unterschiede in den Signalen zwischen Husten, Summen, Schreien, Schlucken und Nickbewegungen zu erkennen. Lasergraviertes Graphen hat auch ein enormes Potenzial, wenn es darum geht, einen künstlichen Biorezeptor zu schaffen, der auf bestimmte Moleküle abzielen kann, alle Arten von tragbaren Biosensoren zu entwickeln oder sogar dazu beizutragen, eine Vielzahl von telemedizinischen Anwendungen zu ermöglichen.

Erst im Jahr 2004 wurde erstmals eine Methode zur zumindest gezielten Herstellung von Graphenschichten entwickelt. In den 17 Jahren, die seitdem vergangen sind, haben eine Reihe paralleler Fortschritte endlich die Möglichkeit eröffnet, die Art und Weise, wie die Menschheit mit der Elektronik interagiert, zu revolutionieren, und zwar an der Schwelle zum neuesten Stand der Technik. Im Vergleich zu allen bisherigen Methoden zur Herstellung und Herstellung graphenbasierter Geräte ermöglicht lasergraviertes Graphen eine einfache, massenproduzierbare, qualitativ hochwertige und kostengünstige Graphenstrukturierung für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich elektronischer Geräte auf der Haut.

In der nahen Zukunft wäre es nicht unvernünftig, Fortschritte im Energiesektor zu erwarten, einschließlich Energiekontrolle, Energiegewinnung und Energiespeicherung. Kurzfristig sind auch Fortschritte bei Sensoren zu erwarten, darunter physikalische Sensoren, Gassensoren und sogar Biosensoren. Die größte Revolution wird wahrscheinlich bei tragbaren Geräten stattfinden, einschließlich solcher, die für diagnostische Telemedizinanwendungen verwendet werden. Sicherlich bleiben noch viele Herausforderungen und Hindernisse bestehen. Diese Hindernisse erfordern jedoch schrittweise und nicht revolutionäre Verbesserungen. Da vernetzte Geräte und das Internet der Dinge weiter auf dem Vormarsch sind, ist die Nachfrage nach ultraminiaturisierter Elektronik größer denn je. Mit den jüngsten Fortschritten in der Graphen-Technologie ist die Zukunft in vielerlei Hinsicht bereits da.