أخبار

يعتمد كل ما نواجهه في العالم الحديث تقريبًا على الإلكترونيات إلى حد ما. منذ أن اكتشفنا لأول مرة كيفية استخدام الكهرباء لتوليد الأعمال الميكانيكية، قمنا بإنشاء أجهزة كبيرة وصغيرة لتحسين حياتنا تقنيًا. من الأضواء الكهربائية إلى الهواتف الذكية، كل جهاز يتكون تطويرنا من عدد قليل من المكونات البسيطة التي تم تجميعها معًا في تكوينات مختلفة. في الواقع، اعتمدنا لأكثر من قرن على:
تعتمد ثورتنا الإلكترونية الحديثة على هذه الأنواع الأربعة من المكونات، بالإضافة إلى الترانزستورات - لاحقًا - لتوفر لنا كل ما نستخدمه اليوم تقريبًا. وبينما نتسابق لتصغير الأجهزة الإلكترونية، ومراقبة المزيد والمزيد من جوانب حياتنا وواقعنا، ونقل المزيد من البيانات باستخدام طاقة أقل، وربط أجهزتنا ببعضها البعض، نواجه بسرعة هذه الحدود الكلاسيكية. التكنولوجيا. ولكن، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اجتمعت خمسة تطورات معًا، وبدأت في تحويل عالمنا الحديث. وإليك كيف سارت الأمور.
1.) تطوير الجرافين. من بين جميع المواد الموجودة في الطبيعة أو التي تم تصنيعها في المختبر، لم يعد الماس هو المادة الأكثر صلابة. هناك ستة مواد أصلب، ​​وأصعبها هو الجرافين. في عام 2004، الجرافين، وهو عبارة عن طبقة من الكربون بسمك ذرة متماسكة معًا في نمط بلوري سداسي، تم عزلها عن طريق الخطأ في المختبر. بعد ست سنوات فقط من هذا التقدم، حصل مكتشفاها أندريه هايم وكوستيا نوفوسيلوف على جائزة نوبل في الفيزياء. الإجهاد الفيزيائي والكيميائي والحراري، لكنها في الواقع شبكة مثالية من الذرات.
يتمتع الجرافين أيضًا بخصائص موصلة رائعة، مما يعني أنه إذا كان من الممكن تصنيع الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك الترانزستورات، من الجرافين بدلاً من السيليكون، فمن المحتمل أن تكون أصغر وأسرع من أي شيء لدينا اليوم. إذا تم خلط الجرافين بالبلاستيك، فيمكن تحويله إلى وهي مادة أقوى مقاومة للحرارة، كما أنها موصلة للكهرباء أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجرافين شفاف للضوء بنسبة 98٪ تقريبًا، مما يعني أنه يعد ثوريًا بالنسبة لشاشات اللمس الشفافة والألواح الباعثة للضوء وحتى الخلايا الشمسية. كما قالت مؤسسة نوبل منذ 11 عامًا قبل ذلك، "ربما نكون على وشك تصغير آخر للإلكترونيات، الأمر الذي من شأنه أن يؤدي إلى زيادة كفاءة أجهزة الكمبيوتر في المستقبل".
2.) مقاومات التثبيت على السطح. هذه هي أقدم تقنية "جديدة" وربما تكون مألوفة لأي شخص قام بتشريح جهاز كمبيوتر أو هاتف محمول. إن المقاوم الذي يتم تثبيته على السطح هو جسم صغير مستطيل الشكل، عادة ما يكون مصنوعًا من السيراميك، مع حواف موصلة على كلا الجانبين. إن تطور السيراميك، الذي يقاوم تدفق التيار دون تبديد الكثير من الطاقة أو الحرارة، جعل من الممكن إنشاء مقاومات متفوقة على المقاومات التقليدية القديمة المستخدمة من قبل: مقاومات الرصاص المحورية.
هذه الخصائص تجعله مثاليًا للاستخدام في الإلكترونيات الحديثة، وخاصة الأجهزة منخفضة الطاقة والأجهزة المحمولة. إذا كنت بحاجة إلى مقاوم، يمكنك استخدام أحد هذه الأجهزة SMDs (أجهزة التثبيت على السطح) لتقليل الحجم الذي تحتاجه للمقاومات، أو لزيادة حجمها. القوة التي يمكنك تطبيقها عليهم ضمن نفس قيود الحجم.
3.) المكثفات الفائقة. المكثفات هي واحدة من أقدم التقنيات الإلكترونية. وهي تعتمد على إعداد بسيط يتم فيه فصل سطحين موصلين (ألواح، أسطوانات، أغلفة كروية، إلخ) عن بعضهما البعض بمسافة صغيرة، ويفصل بينهما مسافة صغيرة. الأسطح قادرة على الحفاظ على شحنات متساوية ومعاكسة. عندما تحاول تمرير تيار عبر المكثف فإنه يشحن وعند إيقاف التيار أو توصيل اللوحين يتم تفريغ المكثف. للمكثفات مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تخزين الطاقة، الانفجار السريع للطاقة المتحررة، والإلكترونيات الكهرضغطية، حيث تؤدي التغيرات في ضغط الجهاز إلى توليد إشارات كهربائية.
وبطبيعة الحال، فإن صنع لوحات متعددة مفصولة بمسافات صغيرة على نطاق صغير جدًا ليس فقط أمرًا صعبًا ولكنه محدود بشكل أساسي. يمكن للتطورات الحديثة في المواد - وخاصة تيتانات النحاس الكالسيوم (CCTO) - تخزين كميات كبيرة من الشحنات في مساحات صغيرة: المكثفات الفائقة. يمكن شحن هذه الأجهزة المصغرة وتفريغها عدة مرات قبل أن تبلى؛ الشحن والتفريغ بشكل أسرع. وتخزين ما يعادل 100 ضعف الطاقة لكل وحدة حجم من المكثفات القديمة. إنها تقنية تغير قواعد اللعبة عندما يتعلق الأمر بتصغير الإلكترونيات.
4.) المحاثات الفائقة. باعتبارها آخر "الثلاثة الكبار"، فإن المحاثات الفائقة هي أحدث لاعب يتم طرحه حتى عام 2018. المحث هو في الأساس ملف به تيار يستخدم مع قلب قابل للتمغنط. تعارض المحاثات التغيرات في مغناطيسيتها الداخلية المجال، مما يعني أنه إذا حاولت السماح للتيار بالتدفق عبره، فإنه يقاوم لفترة من الوقت، ثم يسمح للتيار بالتدفق بحرية من خلاله، وفي النهاية يقاوم التغييرات مرة أخرى عندما تقوم بإيقاف التيار. إلى جانب المقاومات والمكثفات، فهي ثلاثة عناصر أساسية في جميع الدوائر. ولكن مرة أخرى، هناك حد لمدى صغر حجمها.
المشكلة هي أن قيمة الحث تعتمد على مساحة سطح المحرِّض، وهو قاتل الأحلام من حيث التصغير. ولكن بالإضافة إلى الحث المغناطيسي الكلاسيكي، هناك أيضًا مفهوم محاثة الطاقة الحركية: القصور الذاتي فالجسيمات الحاملة للتيار نفسها تمنع حدوث تغييرات في حركتها. تمامًا كما يجب على النمل الموجود في خط "التحدث" مع بعضها البعض لتغيير سرعته، فإن هذه الجسيمات الحاملة للتيار، مثل الإلكترونات، تحتاج إلى ممارسة قوة على بعضها البعض لتسريع أو تبطئ. هذه المقاومة للتغيير تخلق إحساسًا بالحركة. تحت قيادة مختبر أبحاث الإلكترونيات النانوية التابع لكوستاف بانيرجي، تم الآن تطوير محث للطاقة الحركية باستخدام تقنية الجرافين: وهي أعلى مادة تم تسجيلها من حيث كثافة الحث على الإطلاق.
5.) ضع الجرافين في أي جهاز. الآن دعونا نقيم الأمر. لدينا الجرافين. لدينا إصدارات "فائقة" من المقاومات والمكثفات والمحاثات - مصغرة وقوية وموثوقة وفعالة. العقبة الأخيرة في ثورة التصغير الفائق في الإلكترونيات من الناحية النظرية على الأقل، هي القدرة على تحويل أي جهاز (مصنوع من أي مادة تقريبًا) إلى جهاز إلكتروني. ولجعل هذا ممكنًا، كل ما نحتاجه هو القدرة على دمج الإلكترونيات المعتمدة على الجرافين في أي نوع من المواد التي نريدها. بما في ذلك المواد المرنة. وحقيقة أن الجرافين يتمتع بسيولة ومرونة وقوة وموصلية جيدة، في حين أنه غير ضار بالبشر، يجعله مثاليًا لهذا الغرض.
في السنوات القليلة الماضية، تم تصنيع أجهزة الجرافين والجرافين بطريقة لم يتم تحقيقها إلا من خلال عدد قليل من العمليات الصارمة إلى حد ما. يمكنك أكسدة الجرافيت القديم العادي، وإذابته في الماء، وصنع الجرافين بواسطة بخار كيميائي الترسيب. ومع ذلك، لا يوجد سوى عدد قليل من الركائز التي يمكن ترسب الجرافين عليها بهذه الطريقة. يمكنك تقليل أكسيد الجرافين كيميائيًا، ولكن إذا قمت بذلك، فسوف ينتهي بك الأمر إلى جرافين رديء الجودة. يمكنك أيضًا إنتاج الجرافين عن طريق التقشير الميكانيكي. لكن هذا لا يسمح لك بالتحكم في حجم أو سمك الجرافين الذي تنتجه.
هذا هو المكان الذي يأتي فيه التقدم في الجرافين المحفور بالليزر. هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق ذلك. إحداهما هي البدء بأكسيد الجرافين. كما كان من قبل: تأخذ الجرافيت وتؤكسده، ولكن بدلاً من اختزاله كيميائيًا، يمكنك تقليله باستخدام الليزر. وعلى عكس أكسيد الجرافين المختزل كيميائيًا، فهو منتج عالي الجودة يمكن استخدامه في المكثفات الفائقة والدوائر الإلكترونية وبطاقات الذاكرة وغيرها.
يمكنك أيضًا استخدام البوليميد، وهو بلاستيك عالي الحرارة، ونمط الجرافين مباشرة بالليزر. يكسر الليزر الروابط الكيميائية في شبكة البوليميد، وتعيد ذرات الكربون تنظيم نفسها حراريًا لتشكل صفائح جرافين رفيعة وعالية الجودة. وقد أظهر البوليميد هناك الكثير من التطبيقات المحتملة، لأنه إذا كان بإمكانك نقش دوائر الجرافين عليها، فيمكنك تحويل أي شكل من أشكال البوليميد إلى إلكترونيات يمكن ارتداؤها. وتشمل هذه، على سبيل المثال لا الحصر، ما يلي:
ولكن ربما يكون الأمر الأكثر إثارة - نظرًا لظهور ونشوء وانتشار الاكتشافات الجديدة للجرافين المحفور بالليزر - هو في أفق ما هو ممكن حاليًا. باستخدام الجرافين المحفور بالليزر، يمكنك حصاد الطاقة وتخزينها: جهاز للتحكم في الطاقة واحدة من أفظع الأمثلة على فشل التكنولوجيا في التقدم هي البطاريات. اليوم، نستخدم تقريبًا كيمياء الخلايا الجافة لتخزين الطاقة الكهربائية، وهي تقنية عمرها قرون. نماذج أولية لأجهزة التخزين الجديدة، مثل بطاريات الزنك والهواء وبطاريات الحالة الصلبة. تم إنشاء مكثفات كهروكيميائية مرنة.
مع الجرافين المحفور بالليزر، لا يمكننا فقط إحداث ثورة في طريقة تخزين الطاقة، ولكن يمكننا أيضًا إنشاء أجهزة يمكن ارتداؤها والتي تحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء: مولدات نانوية كهربائية احتكاكية. يمكننا إنشاء خلايا فلطية ضوئية عضوية رائعة لديها القدرة على إحداث ثورة في الطاقة الشمسية. ويمكنها أيضًا صنع خلايا وقود حيوي مرنة؛ فالاحتمالات هائلة. وعلى حدود جمع وتخزين الطاقة، فإن الثورات كلها تحدث على المدى القصير.
علاوة على ذلك، يجب أن يبشر الجرافين المحفور بالليزر بعصر من أجهزة الاستشعار غير المسبوقة. ويشمل ذلك أجهزة الاستشعار الفيزيائية، حيث تسبب التغيرات الفيزيائية (مثل درجة الحرارة أو الإجهاد) تغيرات في الخواص الكهربائية مثل المقاومة والممانعة (والتي تشمل أيضًا مساهمات السعة والحث ويتضمن أيضًا أجهزة تكشف التغيرات في خصائص الغاز والرطوبة، و- عند تطبيقها على جسم الإنسان - التغيرات الجسدية في العلامات الحيوية لشخص ما. على سبيل المثال، يمكن أن تصبح فكرة ترايكوردر المستوحاة من ستار تريك قديمة الطراز بسرعة بسبب ما عليك سوى إرفاق رقعة مراقبة العلامات الحيوية التي تنبهنا على الفور إلى أي تغييرات مثيرة للقلق في أجسامنا.
يمكن أن يفتح هذا الخط من التفكير أيضًا مجالًا جديدًا تمامًا: أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على تقنية الجرافين المحفور بالليزر. يمكن أن يساعد الحلق الاصطناعي المعتمد على الجرافين المحفور بالليزر في مراقبة اهتزازات الحلق، وتحديد اختلافات الإشارات بين السعال، والأزيز، والصراخ، والبلع، والإيماء. الحركات. يحمل الجرافين المحفور بالليزر أيضًا إمكانات كبيرة إذا كنت ترغب في إنشاء مستقبل حيوي اصطناعي يمكنه استهداف جزيئات معينة، أو تصميم أجهزة استشعار حيوية مختلفة يمكن ارتداؤها، أو حتى المساعدة في تمكين تطبيقات التطبيب عن بعد المختلفة.
لم يكن الأمر كذلك حتى عام 2004 عندما تم تطوير طريقة لإنتاج صفائح الجرافين لأول مرة، على الأقل بشكل مقصود. في 17 عامًا منذ ذلك الحين، أدت سلسلة من التطورات الموازية أخيرًا إلى الواجهة إمكانية إحداث ثورة في طريقة تفاعل البشر مع الإلكترونيات. بالمقارنة مع جميع الطرق الحالية لإنتاج وتصنيع الأجهزة القائمة على الجرافين، فإن الجرافين المحفور بالليزر يتيح أنماط جرافين بسيطة وقابلة للإنتاج بكميات كبيرة وعالية الجودة وغير مكلفة في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك تغيير إلكترونيات الجلد.
في المستقبل القريب، من المعقول أن نتوقع تطورات في قطاع الطاقة، بما في ذلك التحكم في الطاقة، وحصاد الطاقة، وتخزين الطاقة. كما سيحدث في المدى القريب أيضًا تقدم في أجهزة الاستشعار، بما في ذلك أجهزة الاستشعار المادية، وأجهزة استشعار الغاز، وحتى أجهزة الاستشعار الحيوية. من المرجح أن تأتي الثورة من الأجهزة القابلة للارتداء، بما في ذلك أجهزة تطبيقات الطب التشخيصي عن بعد. ومن المؤكد أن العديد من التحديات والعقبات لا تزال قائمة. ولكن هذه العقبات تتطلب تحسينات تدريجية وليست ثورية. ومع استمرار نمو الأجهزة المتصلة وإنترنت الأشياء، فإن الحاجة إلى أصبحت الإلكترونيات الصغيرة جدًا أكبر من أي وقت مضى. ومع أحدث التطورات في تكنولوجيا الجرافين، أصبح المستقبل موجودًا بالفعل بطرق عديدة.