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Casi todo lo que encontramos en el mundo moderno depende hasta cierto punto de la electrónica. Desde que descubrimos por primera vez cómo utilizar la electricidad para generar trabajo mecánico, hemos creado dispositivos grandes y pequeños para mejorar técnicamente nuestras vidas. Desde luces eléctricas hasta teléfonos inteligentes, cada dispositivo que desarrollamos consta de sólo unos pocos componentes simples unidos en varias configuraciones. De hecho, durante más de un siglo, hemos confiado en:
Nuestra revolución electrónica moderna se basa en estos cuatro tipos de componentes, además de (posteriormente) transistores, para brindarnos casi todo lo que utilizamos hoy. A medida que corremos para miniaturizar los dispositivos electrónicos, monitorear cada vez más aspectos de nuestras vidas y de la realidad, transmitir más datos con menos energía y conectamos nuestros dispositivos entre sí, rápidamente nos encontramos con estos límites clásicos. Tecnología. Pero, a principios de la década de 2000, se unieron cinco avances y comenzaron a transformar nuestro mundo moderno. Así es como fue todo.
1.) Desarrollo del grafeno. De todos los materiales que se encuentran en la naturaleza o creados en el laboratorio, el diamante ya no es el material más duro. Hay seis más duros, siendo el más duro el grafeno. En 2004, el grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor. encerrados en un patrón de cristal hexagonal, fue aislado accidentalmente en el laboratorio. Sólo seis años después de este avance, sus descubridores Andrei Heim y Kostya Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física. No sólo es el material más duro jamás creado, sino que también es increíblemente resistente a estrés físico, químico y térmico, pero en realidad es una red perfecta de átomos.
El grafeno también tiene propiedades conductoras fascinantes, lo que significa que si los dispositivos electrónicos, incluidos los transistores, pudieran fabricarse con grafeno en lugar de silicio, podrían ser más pequeños y más rápidos que cualquier cosa que tengamos hoy. Si el grafeno se mezcla con plástico, se puede convertir en un material más fuerte y resistente al calor que también conduce electricidad. Además, el grafeno es aproximadamente un 98% transparente a la luz, lo que significa que es revolucionario para pantallas táctiles transparentes, paneles emisores de luz e incluso células solares. Como lo expresó la Fundación Nobel hace 11 años Hace años, “tal vez estemos al borde de otra miniaturización de la electrónica que conducirá a que las computadoras sean más eficientes en el futuro”.
2.) Resistencias de montaje en superficie. Esta es la “nueva” tecnología más antigua y probablemente le resulte familiar a cualquiera que haya disecado una computadora o un teléfono celular. Una resistencia de montaje en superficie es un pequeño objeto rectangular, generalmente hecho de cerámica, con bordes conductores en ambos. termina.El desarrollo de cerámicas, que resisten el flujo de corriente sin disipar mucha energía o calor, ha hecho posible crear resistencias que son superiores a las resistencias tradicionales más antiguas utilizadas antes: resistencias de cable axial.
Estas propiedades lo hacen ideal para su uso en electrónica moderna, especialmente en dispositivos móviles y de baja potencia. Si necesita una resistencia, puede usar uno de estos SMD (dispositivos de montaje en superficie) para reducir el tamaño que necesita para las resistencias o aumentar el poder que puedes aplicarles dentro de las mismas limitaciones de tamaño.
3.) Supercondensadores. Los condensadores son una de las tecnologías electrónicas más antiguas. Se basan en una configuración sencilla en la que dos superficies conductoras (placas, cilindros, carcasas esféricas, etc.) están separadas entre sí por una pequeña distancia, y las dos Las superficies son capaces de mantener cargas iguales y opuestas. Cuando intenta hacer pasar corriente a través del capacitor, este se carga y cuando corta la corriente o conecta las dos placas, el capacitor se descarga. Los capacitores tienen una amplia gama de aplicaciones, incluido el almacenamiento de energía, un ráfaga rápida de energía liberada y electrónica piezoeléctrica, donde los cambios en la presión del dispositivo generan señales eléctricas.
Por supuesto, fabricar múltiples placas separadas por distancias minúsculas en una escala muy, muy pequeña no sólo es un desafío sino fundamentalmente limitado. Los avances recientes en materiales, especialmente el titanato de calcio y cobre (CCTO), pueden almacenar grandes cantidades de carga en espacios diminutos: los supercondensadores. Estos dispositivos miniaturizados se pueden cargar y descargar varias veces antes de que se gasten; cargar y descargar más rápido; y almacenan 100 veces la energía por unidad de volumen de los condensadores más antiguos. Son una tecnología revolucionaria cuando se trata de miniaturizar la electrónica.
4.) Súper inductores. Como último de los "Tres Grandes", el superinductor es el último jugador en salir hasta 2018. Un inductor es básicamente una bobina con una corriente utilizada con un núcleo magnetizable. Los inductores se oponen a los cambios en su magnético interno. campo, lo que significa que si intentas dejar que la corriente fluya a través de él, resiste por un tiempo, luego permite que la corriente fluya libremente a través de él y finalmente resiste los cambios nuevamente cuando apagas la corriente. Junto con las resistencias y los capacitores, son los tres elementos básicos de todos los circuitos. Pero nuevamente, hay un límite en lo pequeños que pueden llegar a ser.
El problema es que el valor de la inductancia depende de la superficie del inductor, lo que mata los sueños en términos de miniaturización. Pero además de la clásica inductancia magnética, también existe el concepto de inductancia de energía cinética: la inercia de Las propias partículas portadoras de corriente evitan cambios en su movimiento. Así como las hormigas en una fila deben "hablar" entre sí para cambiar su velocidad, estas partículas portadoras de corriente, como los electrones, necesitan ejercer una fuerza entre sí para acelerar. o disminuir la velocidad.Esta resistencia al cambio crea una sensación de movimiento.Bajo el liderazgo del Laboratorio de Investigación en Nanoelectrónica de Kaustav Banerjee, se ha desarrollado un inductor de energía cinética que utiliza tecnología de grafeno: el material de mayor densidad de inductancia jamás registrado.
5.) Ponga grafeno en cualquier dispositivo. Ahora hagamos un balance. Tenemos grafeno. Tenemos versiones “súper” de resistencias, condensadores e inductores: miniaturizados, robustos, confiables y eficientes. El último obstáculo en la revolución de la ultraminiaturización en electrónica , al menos en teoría, es la capacidad de convertir cualquier dispositivo (hecho de casi cualquier material) en un dispositivo electrónico. Para que esto sea posible, todo lo que necesitamos es la capacidad de incorporar componentes electrónicos basados ​​en grafeno en cualquier tipo de material que queramos. incluidos materiales flexibles. El hecho de que el grafeno tenga buena fluidez, flexibilidad, resistencia y conductividad, aunque sea inofensivo para los humanos, lo hace ideal para este propósito.
En los últimos años, el grafeno y los dispositivos de grafeno se han fabricado de una manera que solo se ha logrado mediante un puñado de procesos que son en sí mismos bastante rigurosos. Se puede oxidar grafito viejo, disolverlo en agua y producir grafeno mediante vapor químico. deposición. Sin embargo, solo hay unos pocos sustratos sobre los que se puede depositar grafeno de esta manera. Puede reducir químicamente el óxido de grafeno, pero si lo hace, terminará con grafeno de mala calidad. También puede producir grafeno mediante exfoliación mecánica , pero esto no te permite controlar el tamaño o el grosor del grafeno que produce.
Aquí es donde entran los avances en el grafeno grabado con láser. Hay dos formas principales de lograrlo. Una es comenzar con óxido de grafeno. Lo mismo que antes: se toma grafito y se oxida, pero en lugar de reducirlo químicamente, se reduce. con láser. A diferencia del óxido de grafeno reducido químicamente, es un producto de alta calidad que puede usarse en supercondensadores, circuitos electrónicos y tarjetas de memoria, entre otros.
También puede utilizar poliimida, un plástico de alta temperatura, y modelar grafeno directamente con un láser. El láser rompe los enlaces químicos en la red de poliimida y los átomos de carbono se reorganizan térmicamente para formar láminas delgadas de grafeno de alta calidad. La poliimida ha demostrado Hay un montón de aplicaciones potenciales, porque si puedes grabar circuitos de grafeno en él, básicamente puedes convertir cualquier forma de poliimida en dispositivos electrónicos portátiles. Estas, por nombrar algunas, incluyen:
Pero quizás lo más emocionante, dada la aparición, el auge y la ubicuidad de nuevos descubrimientos de grafeno grabado con láser, esté en el horizonte de lo que es posible actualmente. Con el grafeno grabado con láser, se puede recolectar y almacenar energía: un dispositivo de control de energía .Uno de los ejemplos más atroces de tecnología que no logra avanzar son las baterías. Hoy en día, casi utilizamos productos químicos de celdas secas para almacenar energía eléctrica, una tecnología centenaria. Prototipos de nuevos dispositivos de almacenamiento, como baterías de zinc-aire y baterías de estado sólido Se han creado condensadores electroquímicos flexibles.
Con el grafeno grabado con láser, no solo podemos revolucionar la forma en que almacenamos energía, sino que también podemos crear dispositivos portátiles que convierten la energía mecánica en electricidad: nanogeneradores triboeléctricos. Podemos crear extraordinarias energías fotovoltaicas orgánicas que tienen el potencial de revolucionar la energía solar. también podría fabricar células de biocombustible flexibles; las posibilidades son enormes. En las fronteras de la recolección y el almacenamiento de energía, todas las revoluciones ocurren a corto plazo.
Además, el grafeno grabado con láser debería marcar el comienzo de una era de sensores sin precedentes. Esto incluye sensores físicos, ya que los cambios físicos (como la temperatura o la tensión) provocan cambios en las propiedades eléctricas como la resistencia y la impedancia (que también incluyen las contribuciones de la capacitancia y la inductancia). ).También incluye dispositivos que detectan cambios en las propiedades del gas y la humedad y, cuando se aplican al cuerpo humano, cambios físicos en los signos vitales de una persona. Por ejemplo, la idea de un tricorder inspirado en Star Trek podría volverse rápidamente obsoleta si simplemente colocándole un parche de monitorización de signos vitales que nos alerta instantáneamente de cualquier cambio preocupante en nuestro cuerpo.
Esta línea de pensamiento también podría abrir un campo completamente nuevo: biosensores basados ​​en tecnología de grafeno grabado con láser. Una garganta artificial basada en grafeno grabado con láser podría ayudar a monitorear las vibraciones de la garganta, identificando diferencias de señal entre toser, zumbar, gritar, tragar y asentir. movimientos. El grafeno grabado con láser también tiene un gran potencial si desea crear un biorreceptor artificial que pueda apuntar a moléculas específicas, diseñar varios biosensores portátiles o incluso ayudar a habilitar diversas aplicaciones de telemedicina.
No fue hasta 2004 que se desarrolló por primera vez un método para producir láminas de grafeno, al menos intencionalmente. En los 17 años transcurridos desde entonces, una serie de avances paralelos finalmente han puesto en primer plano la posibilidad de revolucionar la forma en que los humanos interactúan con la electrónica. En comparación con todos los métodos existentes para producir y fabricar dispositivos basados ​​en grafeno, el grafeno grabado con láser permite patrones de grafeno simples, producibles en masa, de alta calidad y económicos en una variedad de aplicaciones, incluido el cambio electrónico de la piel.
En el futuro cercano, es razonable esperar avances en el sector energético, incluido el control, la recolección y el almacenamiento de energía. También en el corto plazo se producirán avances en sensores, incluidos sensores físicos, sensores de gas e incluso biosensores. Es probable que la revolución provenga de los dispositivos portátiles, incluidos los dispositivos para aplicaciones de telemedicina de diagnóstico. Sin duda, persisten muchos desafíos y obstáculos, pero estos obstáculos requieren mejoras incrementales en lugar de mejoras revolucionarias. A medida que los dispositivos conectados y el Internet de las cosas continúan creciendo, la necesidad de La electrónica ultrapequeña es más grande que nunca. Con los últimos avances en la tecnología del grafeno, el futuro ya está aquí en muchos sentidos.