ข่าว

เกือบทุกอย่างที่เราพบในโลกสมัยใหม่ต้องอาศัยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในระดับหนึ่ง นับตั้งแต่ที่เราค้นพบวิธีใช้ไฟฟ้าเพื่อผลิตงานเครื่องกลเป็นครั้งแรก เราได้สร้างอุปกรณ์ทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็กเพื่อปรับปรุงชีวิตของเราในทางเทคนิค ตั้งแต่ไฟไฟฟ้าไปจนถึงสมาร์ทโฟน ทุกๆ อุปกรณ์ ที่เราพัฒนาประกอบด้วยส่วนประกอบง่ายๆ เพียงไม่กี่ชิ้นที่ต่อเข้าด้วยกันในรูปแบบต่างๆ อันที่จริงแล้ว เป็นเวลากว่าศตวรรษแล้วที่เราพึ่งพา:
การปฏิวัติอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ของเราอาศัยส่วนประกอบสี่ประเภทนี้ บวกกับทรานซิสเตอร์ในเวลาต่อมา เพื่อนำมาซึ่งเกือบทุกอย่างที่เราใช้ในปัจจุบัน ในขณะที่เราแข่งขันกันเพื่อย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตรวจสอบแง่มุมต่างๆ ของชีวิตและความเป็นจริงของเรามากขึ้นเรื่อยๆ ส่งข้อมูลมากขึ้นด้วย พลังงานน้อยลง และเชื่อมต่ออุปกรณ์ของเราเข้าด้วยกัน เราได้พบกับขีดจำกัดแบบคลาสสิกอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยี แต่ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ความก้าวหน้าทั้งห้ามารวมกัน และพวกเขาได้เริ่มเปลี่ยนแปลงโลกสมัยใหม่ของเรา ทุกอย่างเป็นเช่นนี้
1.) การพัฒนากราฟีน ในบรรดาวัสดุทั้งหมดที่พบในธรรมชาติหรือสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ เพชรไม่ใช่วัสดุที่แข็งที่สุดอีกต่อไป มี 6 ชนิดที่ยากที่สุดและยากที่สุดคือกราฟีน ในปี 2004 กราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนหนาอะตอม ล็อกเข้าด้วยกันในรูปแบบคริสตัลหกเหลี่ยม และถูกแยกออกจากกันโดยไม่ได้ตั้งใจในห้องแล็บ เพียงหกปีหลังจากความก้าวหน้านี้ ผู้ค้นพบ Andrei Heim และ Kostya Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุที่แข็งที่สุดเท่าที่เคยมีมา แต่ยังมีความยืดหยุ่นอย่างเหลือเชื่อในการ ความเครียดทางกายภาพ เคมี และความร้อน แต่จริงๆ แล้วมันเป็นโครงตาข่ายที่สมบูรณ์แบบของอะตอม
กราฟีนยังมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าที่น่าสนใจ ซึ่งหมายความว่าหากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสเตอร์ สามารถผลิตจากกราฟีนแทนซิลิคอนได้ กราฟีนอาจมีขนาดเล็กกว่าและเร็วกว่าอุปกรณ์ใดๆ ที่เรามีในปัจจุบัน หากกราฟีนผสมเป็นพลาสติก ก็สามารถเปลี่ยนเป็นกราฟีนได้ เป็นวัสดุทนความร้อนและแข็งแรงกว่าซึ่งนำไฟฟ้าได้ด้วย นอกจากนี้ กราฟีนยังโปร่งใสต่อแสงประมาณ 98% ซึ่งหมายความว่าเป็นการปฏิวัติวงการหน้าจอสัมผัสแบบโปร่งใส แผงเปล่งแสง และแม้แต่เซลล์แสงอาทิตย์ ดังที่มูลนิธิโนเบลวางไว้ 11 ปี ที่ผ่านมา “บางทีเราอาจใกล้จะถึงการย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ซึ่งจะทำให้คอมพิวเตอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้นในอนาคต”
2.) ตัวต้านทานแบบยึดบนพื้นผิว นี่เป็นเทคโนโลยี "ใหม่" ที่เก่าแก่ที่สุดและอาจคุ้นเคยกับใครก็ตามที่ได้ผ่าคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์มือถือ ตัวต้านทานแบบยึดบนพื้นผิวเป็นวัตถุสี่เหลี่ยมเล็กๆ มักทำจากเซรามิก โดยมีขอบเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าทั้งสองด้าน การพัฒนาเซรามิกซึ่งต้านทานการไหลของกระแสโดยไม่สูญเสียพลังงานหรือความร้อนมากนัก ทำให้สามารถสร้างตัวต้านทานที่เหนือกว่าตัวต้านทานแบบเดิมรุ่นเก่าที่ใช้ก่อนหน้านี้: ตัวต้านทานแบบตะกั่วตามแนวแกน
คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำและอุปกรณ์เคลื่อนที่ หากคุณต้องการตัวต้านทาน คุณสามารถใช้หนึ่งใน SMD เหล่านี้ (อุปกรณ์ยึดบนพื้นผิว) เพื่อลดขนาดที่คุณต้องการสำหรับตัวต้านทาน หรือเพื่อเพิ่มขนาด พลังที่คุณสามารถใช้กับพวกมันได้ภายในข้อจำกัดขนาดเดียวกัน
3.) ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเก็บประจุเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด โดยมีพื้นฐานมาจากการตั้งค่าง่ายๆ โดยพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสองพื้นผิว (แผ่น กระบอกสูบ เปลือกทรงกลม ฯลฯ) ถูกแยกออกจากกันด้วยระยะห่างเพียงเล็กน้อย และทั้งสอง พื้นผิวสามารถรักษาประจุที่เท่ากันและตรงกันข้ามได้ เมื่อคุณพยายามส่งกระแสผ่านตัวเก็บประจุ มันจะชาร์จ และเมื่อคุณปิดกระแสหรือเชื่อมต่อทั้งสองแผ่น ตัวเก็บประจุจะคายประจุ ตัวเก็บประจุมีการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการจัดเก็บพลังงาน a พลังงานที่ปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งการเปลี่ยนแปลงความดันของอุปกรณ์จะสร้างสัญญาณไฟฟ้า
แน่นอนว่า การทำแผ่นหลายแผ่นแยกจากกันด้วยระยะห่างเล็กๆ ในขนาดที่เล็กมากๆ ไม่เพียงแต่ท้าทายเท่านั้น แต่ยังถูกจำกัดโดยพื้นฐาน ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านวัสดุ โดยเฉพาะแคลเซียม คอปเปอร์ ไททาเนต (CCTO) สามารถกักเก็บประจุจำนวนมากในพื้นที่ขนาดเล็ก ซึ่งก็คือ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ อุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้สามารถชาร์จและคายประจุได้หลายครั้งก่อนที่จะเสื่อมสภาพชาร์จและคายประจุเร็วขึ้นและกักเก็บพลังงานได้ 100 เท่าต่อหน่วยปริมาตรของตัวเก็บประจุแบบเก่า ถือเป็นเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงเกมเมื่อพูดถึงการย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
4.) ตัวเหนี่ยวนำซุปเปอร์ ในฐานะตัวสุดท้ายของ “สามยักษ์ใหญ่” ตัวเหนี่ยวนำยิ่งเป็นผู้เล่นล่าสุดที่ออกมาจนถึงปี 2018 โดยพื้นฐานแล้วตัวเหนี่ยวนำนั้นเป็นขดลวดที่มีกระแสใช้กับแกนแม่เหล็กที่แม่เหล็กได้ ตัวเหนี่ยวนำต่อต้านการเปลี่ยนแปลงในแม่เหล็กภายในของมัน ซึ่งหมายความว่าหากคุณพยายามปล่อยให้กระแสไหลผ่าน มันจะต้านอยู่ครู่หนึ่ง จากนั้นจึงปล่อยให้กระแสไหลผ่านได้อย่างอิสระ และสุดท้ายจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงอีกครั้งเมื่อคุณปิดกระแสไฟ นอกจากตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแล้ว พวกมันยังเป็น องค์ประกอบพื้นฐานสามประการของวงจรทั้งหมด แต่ขอย้ำอีกครั้งว่าวงจรจะมีขนาดเล็กแค่ไหนก็มีขีดจำกัด
ปัญหาอยู่ที่ค่าความเหนี่ยวนำนั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวของตัวเหนี่ยวนำซึ่งเป็นตัวทำลายความฝันในแง่ของการย่อขนาด แต่นอกเหนือจากตัวเหนี่ยวนำแม่เหล็กแบบคลาสสิกแล้ว ยังมีแนวคิดเรื่องการเหนี่ยวนำพลังงานจลน์อีกด้วย: ความเฉื่อยของ อนุภาคที่พากระแสน้ำเข้าไปจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของพวกมัน เช่นเดียวกับมดในแถวที่ต้อง "พูด" กันเพื่อเปลี่ยนความเร็ว อนุภาคที่พากระแสน้ำเหล่านี้ เช่น อิเล็กตรอน จำเป็นต้องออกแรงซึ่งกันและกันเพื่อเร่งความเร็วฉันนั้น หรือชะลอตัวลง การต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้เกิดความรู้สึกถึงการเคลื่อนไหว ภายใต้การนำของห้องปฏิบัติการวิจัยนาโนอิเล็กทรอนิกส์ของ Kaustav Banerjee ปัจจุบันตัวเหนี่ยวนำพลังงานจลน์ที่ใช้เทคโนโลยีกราฟีนได้รับการพัฒนาขึ้น ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นของการเหนี่ยวนำสูงที่สุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมา
5.) ใส่กราฟีนลงในอุปกรณ์ใดๆ ก็ตาม ทีนี้มาสต็อกกัน เรามีกราฟีน เรามีตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำในเวอร์ชัน "ซุปเปอร์" ซึ่งย่อขนาด ทนทาน เชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพ อุปสรรคสุดท้ายในการปฏิวัติการย่อขนาดขั้นสุดยอดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างน้อยในทางทฤษฎีก็คือความสามารถในการเปลี่ยนอุปกรณ์ใดๆ (ที่ทำจากวัสดุเกือบทุกชนิด) ให้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อให้สิ่งนี้เป็นไปได้ สิ่งที่เราต้องมีคือความสามารถในการฝังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กราฟีนลงในวัสดุประเภทใดก็ได้ที่เราต้องการ รวมถึงวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ความจริงที่ว่ากราฟีนมีความลื่นไหล ความยืดหยุ่น ความแข็งแรง และการนำไฟฟ้าได้ดี แม้ว่าจะไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ ทำให้กราฟีนเหมาะสำหรับจุดประสงค์นี้
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์กราฟีนและกราฟีนได้รับการประดิษฐ์ขึ้นในลักษณะที่สามารถทำได้ผ่านกระบวนการเพียงไม่กี่ขั้นตอนที่ค่อนข้างเข้มงวด คุณสามารถออกซิไดซ์กราไฟท์เก่าธรรมดา ละลายในน้ำ และสร้างกราฟีนด้วยไอสารเคมี การสะสม อย่างไรก็ตาม มีซับสเตรตเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถสะสมกราฟีนด้วยวิธีนี้ คุณสามารถลดกราฟีนออกไซด์ทางเคมีได้ แต่ถ้าคุณทำเช่นนี้ คุณจะจบลงด้วยกราฟีนคุณภาพต่ำ คุณยังสามารถสร้างกราฟีนได้ด้วยการขัดผิวด้วยกลไก แต่ไม่อนุญาตให้คุณควบคุมขนาดหรือความหนาของกราฟีนที่คุณผลิตได้
นี่คือที่มาของความก้าวหน้าในกราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ มีสองวิธีหลักในการบรรลุเป้าหมาย วิธีแรกคือการเริ่มต้นด้วยกราฟีนออกไซด์ เช่นเดียวกับเมื่อก่อน: คุณใช้กราไฟท์และออกซิไดซ์ แต่แทนที่จะลดทางเคมี คุณจะลดกราไฟท์ลง ด้วยเลเซอร์ ต่างจากกราฟีนออกไซด์ที่ลดลงทางเคมี แต่เป็นผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่สามารถใช้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ และการ์ดหน่วยความจำ และอื่นๆ อีกมากมาย
คุณยังสามารถใช้โพลีอิไมด์ ซึ่งเป็นพลาสติกที่มีอุณหภูมิสูง และกราฟีนที่มีลวดลายได้โดยตรงด้วยเลเซอร์ เลเซอร์จะทำลายพันธะเคมีในโครงข่ายโพลีอิไมด์ และอะตอมของคาร์บอนจะจัดระเบียบตัวเองใหม่ด้วยความร้อนเพื่อสร้างแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงบางๆ โพลีอิไมด์ได้แสดงให้เห็นว่า นำไปประยุกต์ใช้งานได้มากมาย เพราะหากคุณสามารถแกะสลักวงจรกราฟีนไว้บนนั้นได้ คุณสามารถเปลี่ยนรูปร่างของโพลิอิไมด์ใดๆ ให้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ โดยทั่วไป สิ่งเหล่านี้รวมถึง:
แต่บางทีอาจจะน่าตื่นเต้นที่สุด จากการเกิดขึ้น การเพิ่มขึ้น และความแพร่หลายของการค้นพบใหม่ๆ ของกราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ กำลังอยู่บนขอบฟ้าของสิ่งที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน ด้วยกราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ คุณสามารถเก็บเกี่ยวและกักเก็บพลังงาน: อุปกรณ์ควบคุมพลังงาน ตัวอย่างที่ร้ายแรงที่สุดประการหนึ่งของเทคโนโลยีที่ไม่ก้าวหน้าคือแบตเตอรี่ ทุกวันนี้ เราเกือบจะใช้เคมีเซลล์แห้งเพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีอายุเก่าแก่หลายศตวรรษ ต้นแบบของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบใหม่ เช่น แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ และโซลิดสเตต ได้สร้างตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีแบบยืดหยุ่นขึ้น
ด้วยกราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ ไม่เพียงแต่เราจะปฏิวัติวิธีการกักเก็บพลังงานได้เท่านั้น แต่เรายังสามารถสร้างอุปกรณ์สวมใส่ที่แปลงพลังงานกลให้เป็นไฟฟ้าได้อีกด้วย: เครื่องกำเนิดไฟฟ้านาโนไทรโบอิเล็กทริก เราสามารถสร้างแผงเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ที่น่าทึ่งซึ่งมีศักยภาพในการปฏิวัติพลังงานแสงอาทิตย์ได้ ยังสามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ยืดหยุ่นได้ความเป็นไปได้นั้นมีมากมาย บนขอบเขตของการรวบรวมและกักเก็บพลังงาน การปฏิวัติล้วนเกิดขึ้นในระยะสั้น
นอกจากนี้ กราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ควรนำไปสู่ยุคของเซ็นเซอร์ที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์ทางกายภาพ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ (เช่น อุณหภูมิหรือความเครียด) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น ความต้านทานและอิมพีแดนซ์ (ซึ่งรวมถึงการมีส่วนร่วมของความจุและการเหนี่ยวนำ ).อุปกรณ์นี้ยังรวมถึงอุปกรณ์ที่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของก๊าซและความชื้น และการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพในสัญญาณชีพของบุคคลเมื่อนำไปใช้กับร่างกายมนุษย์ ตัวอย่างเช่น แนวคิดเรื่องไทรออร์เดอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสตาร์เทรคอาจล้าสมัยไปอย่างรวดเร็วโดย เพียงติดแผ่นตรวจติดตามสัญญาณชีพที่จะแจ้งเตือนเราทันทีเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงในร่างกายที่น่าเป็นห่วง
แนวความคิดนี้อาจเปิดโลกทัศน์ใหม่ทั้งหมด: ไบโอเซนเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยีกราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ คอเทียมที่ใช้กราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์สามารถช่วยตรวจสอบการสั่นสะเทือนของลำคอ โดยระบุความแตกต่างของสัญญาณระหว่างการไอ เสียงหึ่ง กรีดร้อง การกลืน และการพยักหน้า การเคลื่อนไหว กราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ยังมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยม หากคุณต้องการสร้างตัวรับชีวภาพเทียมที่สามารถกำหนดเป้าหมายโมเลกุลเฉพาะ ออกแบบไบโอเซนเซอร์ที่สวมใส่ได้ต่างๆ หรือแม้แต่ช่วยเปิดใช้งานแอปพลิเคชันการแพทย์ทางไกลต่างๆ
จนกระทั่งปี 2004 วิธีการผลิตแผ่นกราฟีนได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรก อย่างน้อยก็จงใจ ในรอบ 17 ปีนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ความก้าวหน้าแบบคู่ขนานหลายชุดได้นำไปสู่ความเป็นไปได้ในการปฏิวัติวิธีที่มนุษย์โต้ตอบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในระดับแนวหน้าในที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการที่มีอยู่ทั้งหมดในการผลิตและประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ใช้กราฟีน กราฟีนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์ช่วยให้เกิดรูปแบบกราฟีนที่เรียบง่าย สามารถผลิตได้จำนวนมาก มีคุณภาพสูง และราคาไม่แพงในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของผิวหนัง
ในอนาคตอันใกล้นี้ มีความสมเหตุสมผลที่จะคาดหวังความก้าวหน้าในภาคพลังงาน รวมถึงการควบคุมพลังงาน การเก็บเกี่ยวพลังงาน และการจัดเก็บพลังงาน นอกจากนี้ ในระยะสั้นยังมีความก้าวหน้าในด้านเซ็นเซอร์ รวมถึงเซ็นเซอร์กายภาพ เซ็นเซอร์ก๊าซ และแม้แต่ไบโอเซนเซอร์ ที่ใหญ่ที่สุด การปฏิวัติน่าจะมาจากอุปกรณ์สวมใส่ รวมถึงอุปกรณ์สำหรับแอปพลิเคชันการแพทย์ทางไกลเพื่อการวินิจฉัย แน่นอนว่ายังคงมีความท้าทายและอุปสรรคมากมาย แต่อุปสรรคเหล่านี้ต้องการการปรับปรุงแบบค่อยเป็นค่อยไปมากกว่าการปรับปรุงแบบปฏิวัติ เนื่องจากอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อและ Internet of Things ยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความจำเป็นในการ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กพิเศษนั้นยิ่งใหญ่กว่าที่เคย ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดของเทคโนโลยีกราฟีน อนาคตก็มาถึงแล้วในหลาย ๆ ด้าน