חֲדָשׁוֹת

כמעט כל מה שאנו פוגשים בעולם המודרני מסתמך במידה מסוימת על אלקטרוניקה.מאז שגילינו לראשונה כיצד להשתמש בחשמל לייצור עבודה מכנית, יצרנו מכשירים גדולים וקטנים כדי לשפר טכנית את חיינו. מנורות חשמליות ועד סמארטפונים, כל מכשיר אנו מפתחים מורכב מכמה רכיבים פשוטים שחוברו יחד בתצורות שונות. למעשה, במשך יותר ממאה שנה, הסתמכנו על:
מהפכת האלקטרוניקה המודרנית שלנו מסתמכת על ארבעת סוגי הרכיבים הללו, ובנוסף - מאוחר יותר - טרנזיסטורים, כדי להביא לנו כמעט את כל מה שאנו משתמשים בו היום. בעודנו דוהרים למזער מכשירים אלקטרוניים, לנטר עוד ועוד היבטים של חיינו ושל המציאות שלנו, להעביר יותר נתונים עם פחות כוח, ומחברים את המכשירים שלנו זה לזה, אנו נתקלים במהירות בגבולות הקלאסיקה האלה. טכנולוגיה. אבל בתחילת שנות ה-2000, חמש התקדמות כולם התאחדו, והן החלו לשנות את העולם המודרני שלנו. הנה איך הכל הלך.
1.) פיתוח של גרפן. מכל החומרים שנמצאים בטבע או שנוצרו במעבדה, יהלום הוא כבר לא החומר הקשה ביותר. יש שישה קשים יותר, הקשה ביותר הוא גרפן. בשנת 2004, גרפן, יריעת פחמן בעובי אטום כלולים יחד בתבנית קריסטל משושה, בודדו בטעות במעבדה. שש שנים בלבד לאחר התקדמות זו, זכו מגליו אנדריי היים וקוסטיה נובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה. לא רק שזה החומר הקשה ביותר שנוצר אי פעם, עמיד להפליא בפני מתח פיזי, כימי ותרמי, אבל זה למעשה סריג מושלם של אטומים.
לגרפן יש גם תכונות מוליכות מרתקות, כלומר אם ניתן היה לייצר מכשירים אלקטרוניים, כולל טרנזיסטורים, מגרפן במקום מסיליקון, הם עשויים להיות קטנים ומהירים יותר מכל מה שיש לנו היום. אם גרפן מעורבב לפלסטיק, ניתן להפוך אותו לפלסטיק. חומר עמיד בחום וחזק יותר שמוליך גם חשמל. בנוסף, הגרפן שקוף לאור, מה שאומר שהוא מהפכני עבור מסכי מגע שקופים, פאנלים פולטי אור ואפילו תאים סולאריים. כפי שניסחה זאת קרן נובל 11 שנים לפני, "אולי אנחנו על סף מזעור נוסף של אלקטרוניקה שתוביל למחשבים להתייעל בעתיד."
2.) נגדים להרכבה על פני השטח. זוהי הטכנולוגיה ה"חדשה" הוותיקה ביותר והיא כנראה מוכרת לכל מי שניתח מחשב או טלפון סלולרי. נגד משטח הוא עצם מלבני זעיר, עשוי בדרך כלל מקרמיקה, עם קצוות מוליכים בשניהם מסתיים. הפיתוח של קרמיקה, המתנגדת לזרימת הזרם מבלי לפזר הרבה כוח או חום, אפשרה ליצור נגדים עדיפים על הנגדים המסורתיים הישנים שבהם השתמשו בעבר: נגדי עופרת צירים.
מאפיינים אלה הופכים אותו לאידיאלי לשימוש באלקטרוניקה מודרנית, במיוחד בהספק נמוך ובמכשירים ניידים. אם אתה צריך נגד, אתה יכול להשתמש באחד מה-SMDs (התקני הרכבה על פני השטח) כדי להקטין את הגודל שאתה צריך עבור הנגדים, או להגדיל הכוח שאתה יכול להחיל עליהם באותם מגבלות גודל.
3.) קבלי-על.קבלים הם אחת הטכנולוגיות האלקטרוניות הוותיקות ביותר.הם מבוססים על התקנה פשוטה שבה שני משטחים מוליכים (צלחות, צילינדרים, קונכיות כדוריות וכו') מופרדים זה מזה במרחק קטן, והשניים משטחים מסוגלים לשמור על מטענים שווים ומנוגדים. כאשר אתה מנסה להעביר זרם דרך הקבל הוא נטען וכאשר אתה מכבה את הזרם או מחבר את שתי הלוחות הקבל מתפרק. לקבלים יש מגוון רחב של יישומים, כולל אחסון אנרגיה, א. פרץ מהיר של אנרגיה משוחררת, ואלקטרוניקה פיזואלקטרית, שבה שינויים בלחץ המכשיר מייצרים אותות חשמליים.
כמובן, יצירת לוחות מרובים המופרדים במרחקים זעירים בקנה מידה מאוד קטן הוא לא רק מאתגר אלא מוגבל ביסודו. ההתקדמות האחרונה בחומרים - במיוחד סידן נחושת טיטנאט (CCTO) - יכולה לאחסן כמויות גדולות של מטען בחללים זעירים: קבלי-על. ניתן לטעון ולפרוק את המכשירים הממוזערים מספר פעמים לפני שהם נשחקים;טעינה ופריקה מהר יותר;ומאחסנים פי 100 מהאנרגיה ליחידת נפח של קבלים ישנים יותר. הם טכנולוגיה משנה משחק בכל הנוגע למזעור אלקטרוניקה.
4.) משרן על. בתור האחרון מבין "שלושת הגדולים", המשרן הוא השחקן האחרון שיצא עד 2018. משרן הוא בעצם סליל עם זרם המשמש עם ליבה ניתנת למגנט. משרנים מתנגדים לשינויים במגנטיות הפנימיות שלהם שדה, כלומר אם אתה מנסה לתת לזרם לזרום דרכו, הוא מתנגד לזמן מה, ואז מאפשר לזרם לזרום בחופשיות דרכו, ולבסוף מתנגד שוב לשינויים כאשר אתה מכבה את הזרם. יחד עם נגדים וקבלים, הם שלושה אלמנטים בסיסיים של כל המעגלים. אבל שוב, יש גבול לכמה קטנים הם יכולים להיות.
הבעיה היא שערך השראות תלוי בשטח הפנים של המשרן, שהוא קוטל חלומות במונחים של מזעור. אבל בנוסף לשראות המגנטית הקלאסית, יש גם את הרעיון של השראות אנרגיה קינטית: האינרציה של החלקיקים נושאי הזרם עצמם מונעים שינויים בתנועתם. בדיוק כפי שנמלים בשורה חייבות "לדבר" זו עם זו כדי לשנות את מהירותן, החלקיקים נושאי הזרם הללו, כמו אלקטרונים, צריכים להפעיל כוח זה על זה כדי להאיץ או להאט. התנגדות זו לשינוי יוצרת תחושה של תנועה. תחת הנהגתה של מעבדת המחקר לננו-אלקטרוניקה של Kaustav Banerjee, פותח כעת משרן אנרגיה קינטית המשתמש בטכנולוגיית גרפן: החומר בעל צפיפות השראות הגבוהה ביותר שתועד אי פעם.
5.) שים גרפן בכל מכשיר. עכשיו בואו נעשה חשבון נפש. יש לנו גרפן. יש לנו גרסאות "על" של נגדים, קבלים ומשרנים - ממוזער, חזק, אמין ויעיל. המכשול האחרון במהפכה האולטרה-מזעור באלקטרוניקה , לפחות בתיאוריה, היא היכולת להפוך כל מכשיר (העשוי כמעט מכל חומר) למכשיר אלקטרוני. כדי לאפשר זאת, כל מה שאנחנו צריכים הוא היכולת להטמיע אלקטרוניקה מבוססת גרפן בכל סוג של חומר שנרצה, כולל חומרים גמישים. העובדה שלגרפן יש נזילות, גמישות, חוזק ומוליכות טובים, תוך שהוא לא מזיק לבני אדם, הופכת אותו לאידיאלי למטרה זו.
בשנים האחרונות, מכשירי גרפן וגרפן יוצרו באופן שהושג רק באמצעות קומץ תהליכים שהם עצמם קפדניים למדי. ניתן לחמצן גרפיט ישן רגיל, להמיס אותו במים, וליצור גרפן על ידי אדים כימיים עם זאת, יש רק כמה מצעים שעליהם ניתן להפקיד גרפן בדרך זו. אתה יכול להפחית כימית תחמוצת גרפן, אבל אם תעשה זאת, תקבל גרפן באיכות ירודה. אתה יכול גם לייצר גרפן על ידי פילינג מכני , אבל זה לא מאפשר לך לשלוט בגודל או בעובי של הגרפן שאתה מייצר.
כאן נכנסת לתמונה ההתקדמות בגרפן עם חריטה בלייזר. יש שתי דרכים עיקריות להשיג זאת. האחת היא להתחיל עם תחמוצת גרפן. אותו דבר כמו קודם: אתה לוקח גרפיט ומחמצן אותו, אבל במקום להפחית אותו כימית, אתה מפחית אותו עם לייזר. שלא כמו תחמוצת גרפן מופחתת כימית, זהו מוצר איכותי שניתן להשתמש בו בין היתר בקבלי-על, מעגלים אלקטרוניים וכרטיסי זיכרון.
אתה יכול גם להשתמש בפולימיד, פלסטיק בטמפרטורה גבוהה ובגרפן דפוס ישירות עם לייזר. הלייזר שובר קשרים כימיים ברשת הפוליאימיד, ואטומי הפחמן מתארגנים מחדש תרמית ליצירת יריעות גרפן דקות ואיכותיות. המון יישומים פוטנציאליים, כי אם אתה יכול לחרוט עליו מעגלי גרפן, אתה יכול בעצם להפוך כל צורה של פוליאמיד לאלקטרוניקה לבישה. אלה, אם להזכיר כמה, כוללים:
אבל אולי המרגש ביותר - בהתחשב בהופעתם, העלייה והנמצאות בכל מקום של תגליות חדשות של גרפן חרוט בלייזר - נמצא באופק של מה שאפשר כרגע. עם גרפן עם חריטה בלייזר, אתה יכול לקצור ולאגור אנרגיה: מכשיר לשליטה באנרגיה .אחת הדוגמאות הבזויות ביותר לכך שהטכנולוגיה לא מתקדמת היא סוללות. כיום, אנו כמעט משתמשים בכימיה של תאים יבשים כדי לאחסן אנרגיה חשמלית, טכנולוגיה בת מאות שנים. אבות טיפוס של התקני אחסון חדשים, כגון סוללות אבץ-אוויר ומצב מוצק נוצרו קבלים אלקטרוכימיים גמישים.
עם גרפן חרוט בלייזר, לא רק שנוכל לחולל מהפכה בדרך שבה אנו מאחסנים אנרגיה, אלא נוכל גם ליצור מכשירים לבישים הממירים אנרגיה מכנית לחשמל: ננו-גנרטורים טריבו-אלקטריים. אנו יכולים ליצור פוטו-וולטאים אורגניים יוצאי דופן שיש להם פוטנציאל לחולל מהפכה באנרגיה סולארית. יכול גם ליצור תאי דלק ביולוגי גמישים;האפשרויות הן עצומות. בגבולות של איסוף ואגירת אנרגיה, המהפכות הן כולן בטווח הקצר.
יתר על כן, גרפן חרוט בלייזר אמור להוביל עידן של חיישנים חסרי תקדים. זה כולל חיישנים פיזיקליים, שכן שינויים פיזיקליים (כגון טמפרטורה או מתח) גורמים לשינויים במאפיינים חשמליים כגון התנגדות ועכבה (הכוללים גם את התרומות של קיבול והשראות ).היא כוללת גם מכשירים המזהים שינויים בתכונות הגז והלחות, וכאשר מיושמים על גוף האדם - שינויים פיזיים בסימנים החיוניים של מישהו. לדוגמה, הרעיון של טריקורדר בהשראת מסע בין כוכבים עלול להתיישן במהירות על ידי פשוט מצרף מדבקה לניטור סימנים חיוניים שמתריע אותנו באופן מיידי על כל שינוי מדאיג בגופנו.
קו חשיבה זה יכול גם לפתוח תחום חדש לגמרי: חיישנים ביולוגיים המבוססים על טכנולוגיית גרפן עם חריטה בלייזר. גרון מלאכותי המבוסס על גרפן עם חריטה בלייזר יכול לסייע בניטור תנודות הגרון, זיהוי הבדלי האות בין שיעול, זמזום, צרחות, בליעה והנהון. גרפן עם חריטה בלייזר טומנת בחובה פוטנציאל גדול גם אם אתה רוצה ליצור ביקולטן מלאכותי שיכול למקד מולקולות ספציפיות, לעצב חיישנים ביו לבישים שונים, או אפילו לעזור לאפשר יישומי רפואה שונים.
רק בשנת 2004 פותחה לראשונה שיטה לייצור דפי גרפן, לפחות בכוונה. ב-17 השנים שחלפו מאז, סדרה של התקדמות מקבילה הביאה סוף סוף לקדמת הבמה את האפשרות לחולל מהפכה באופן שבו בני אדם מתקשרים עם אלקטרוניקה. בהשוואה לכל השיטות הקיימות לייצור וייצור מכשירים מבוססי גרפן, גרפן עם חריטה בלייזר מאפשרת דפוסי גרפן פשוטים, הניתנים לייצור המוני, איכותיים וזולים במגוון יישומים כולל שינוי אלקטרוניקה לעור.
בעתיד הקרוב, סביר לצפות להתקדמות בתחום האנרגיה, כולל בקרת אנרגיה, קצירת אנרגיה ואגירת אנרגיה. כמו כן, בטווח הקרוב יש התקדמות בחיישנים, כולל חיישנים פיזיים, חיישני גז ואפילו חיישנים ביולוגיים. המהפכה צפויה לבוא מציוד לביש, כולל מכשירים ליישומי רפואה אבחנתית. מה שבטוח, אתגרים ומכשולים רבים נותרו. אבל מכשולים אלה דורשים שיפורים מצטברים ולא מהפכניים. ככל שהמכשירים המחוברים והאינטרנט של הדברים ממשיכים לגדול, הצורך ב אלקטרוניקה קטנה במיוחד גדולה מתמיד. עם ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית הגרפן, העתיד כבר כאן במובנים רבים.