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Presque tout ce que nous rencontrons dans le monde moderne repose dans une certaine mesure sur l'électronique. Depuis que nous avons découvert comment utiliser l'électricité pour générer du travail mécanique, nous avons créé des appareils, grands et petits, pour améliorer techniquement nos vies. Des lampes électriques aux smartphones, chaque appareil que nous développons se compose de quelques composants simples assemblés dans diverses configurations. En fait, depuis plus d'un siècle, nous nous appuyons sur :
Notre révolution électronique moderne s'appuie sur ces quatre types de composants, ainsi que – plus tard – sur les transistors, pour nous apporter presque tout ce que nous utilisons aujourd'hui. Alors que nous nous efforçons de miniaturiser les appareils électroniques, de surveiller de plus en plus d'aspects de nos vies et de notre réalité, de transmettre davantage de données avec Moins d'énergie et connecter nos appareils les uns aux autres, nous rencontrons rapidement ces limites classiques. La technologie. Mais, au début des années 2000, cinq avancées se sont toutes réunies et ont commencé à transformer notre monde moderne. Voici comment tout s'est passé.
1.) Développement du graphène. De tous les matériaux trouvés dans la nature ou créés en laboratoire, le diamant n'est plus le matériau le plus dur. Il en existe six plus durs, le plus dur étant le graphène. En 2004, le graphène, une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome enfermés ensemble dans un motif cristallin hexagonal, a été accidentellement isolé en laboratoire. Six ans seulement après cette avancée, ses découvreurs Andrei Heim et Kostya Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique. Non seulement c'est le matériau le plus dur jamais fabriqué, incroyablement résistant à stress physique, chimique et thermique, mais il s'agit en fait d'un réseau parfait d'atomes.
Le graphène possède également des propriétés conductrices fascinantes, ce qui signifie que si les appareils électroniques, y compris les transistors, pouvaient être fabriqués à partir de graphène au lieu de silicium, ils pourraient potentiellement être plus petits et plus rapides que tout ce que nous avons aujourd'hui. Si le graphène est mélangé à du plastique, il peut être transformé en un matériau résistant à la chaleur et plus résistant qui conduit également l'électricité. De plus, le graphène est transparent à la lumière à environ 98 %, ce qui signifie qu'il est révolutionnaire pour les écrans tactiles transparents, les panneaux électroluminescents et même les cellules solaires. Comme le dit la Fondation Nobel, 11 ans "Peut-être sommes-nous à la veille d'une autre miniaturisation de l'électronique qui permettra aux ordinateurs de devenir plus efficaces à l'avenir".
2.) Résistances à montage en surface. Il s'agit de la « nouvelle » technologie la plus ancienne et est probablement familière à tous ceux qui ont disséqué un ordinateur ou un téléphone portable. Une résistance à montage en surface est un petit objet rectangulaire, généralement en céramique, avec des bords conducteurs sur les deux côtés. Le développement de la céramique, qui résiste au flux de courant sans dissiper beaucoup de puissance ou de chaleur, a permis de créer des résistances supérieures aux anciennes résistances traditionnelles utilisées auparavant : les résistances à plomb axial.
Ces propriétés le rendent idéal pour une utilisation dans l'électronique moderne, en particulier dans les appareils mobiles et à faible consommation. Si vous avez besoin d'une résistance, vous pouvez utiliser l'un de ces CMS (dispositifs à montage en surface) pour réduire la taille dont vous avez besoin pour les résistances ou pour augmenter le pouvoir que vous pouvez leur appliquer dans les mêmes contraintes de taille.
3.) Supercondensateurs. Les condensateurs sont l'une des technologies électroniques les plus anciennes. Ils sont basés sur une configuration simple dans laquelle deux surfaces conductrices (plaques, cylindres, coques sphériques, etc.) sont séparées l'une de l'autre par une petite distance, et les deux les surfaces sont capables de maintenir des charges égales et opposées. Lorsque vous essayez de faire passer du courant à travers le condensateur, il se charge et lorsque vous coupez le courant ou connectez les deux plaques, le condensateur se décharge. Les condensateurs ont une large gamme d'applications, y compris le stockage d'énergie, un explosion rapide d'énergie libérée et électronique piézoélectrique, où les changements de pression de l'appareil génèrent des signaux électriques.
Bien entendu, fabriquer plusieurs plaques séparées par de minuscules distances à une très, très petite échelle est non seulement un défi mais fondamentalement limité. Les progrès récents dans les matériaux, notamment le titanate de cuivre et de calcium (CCTO), permettent de stocker de grandes quantités de charge dans des espaces minuscules : les supercondensateurs. Ces appareils miniaturisés peuvent être chargés et déchargés plusieurs fois avant de s'user ;charger et décharger plus rapidement ;et stockent 100 fois l'énergie par unité de volume des condensateurs plus anciens. Ils constituent une technologie révolutionnaire en matière de miniaturisation de l'électronique.
4.) Super inducteurs. En tant que dernier des « Trois Grands », le superinducteur est le dernier acteur à sortir jusqu'en 2018. Un inducteur est essentiellement une bobine avec un courant utilisé avec un noyau magnétisable. Les inducteurs s'opposent aux changements de leur magnétique interne. champ, ce qui signifie que si vous essayez de laisser le courant le traverser, il résiste pendant un certain temps, puis permet au courant de circuler librement à travers lui, et enfin résiste à nouveau aux changements lorsque vous coupez le courant. Avec les résistances et les condensateurs, ce sont les trois éléments de base de tous les circuits. Mais encore une fois, il y a une limite à leur taille.
Le problème est que la valeur de l'inductance dépend de la surface de l'inducteur, ce qui est un tueur de rêves en termes de miniaturisation. Mais en plus de l'inductance magnétique classique, il existe aussi la notion d'inductance d'énergie cinétique : l'inertie de les particules transporteuses de courant elles-mêmes empêchent les changements dans leur mouvement. Tout comme les fourmis dans une ligne doivent « parler » entre elles pour modifier leur vitesse, ces particules transporteuses de courant, comme les électrons, doivent exercer une force les unes sur les autres pour accélérer. ou ralentir.Cette résistance au changement crée une sensation de mouvement.Sous la direction du laboratoire de recherche en nanoélectronique de Kaustav Banerjee, un inducteur d'énergie cinétique utilisant la technologie du graphène a maintenant été développé : le matériau de densité d'inductance la plus élevée jamais enregistré.
5.) Mettez du graphène dans n'importe quel appareil. Faisons maintenant le point. Nous avons du graphène. Nous avons des versions « super » de résistances, condensateurs et inductances – miniaturisées, robustes, fiables et efficaces. Le dernier obstacle dans la révolution de l'ultra-miniaturisation de l'électronique , du moins en théorie, est la capacité de transformer n'importe quel appareil (constitué de presque n'importe quel matériau) en un appareil électronique. Pour que cela soit possible, tout ce dont nous avons besoin est la capacité d'intégrer l'électronique à base de graphène dans n'importe quel type de matériau que nous voulons, y compris les matériaux flexibles. Le fait que le graphène ait une bonne fluidité, flexibilité, résistance et conductivité, tout en étant inoffensif pour les humains, le rend idéal à cet effet.
Au cours des dernières années, le graphène et les dispositifs en graphène ont été fabriqués d'une manière qui n'a été obtenue que grâce à une poignée de processus eux-mêmes assez rigoureux. Vous pouvez oxyder du vieux graphite ordinaire, le dissoudre dans l'eau et fabriquer du graphène par vapeur chimique. dépôt.Cependant, il n'existe que quelques substrats sur lesquels le graphène peut être déposé de cette manière.Vous pouvez réduire chimiquement l'oxyde de graphène, mais si vous le faites, vous vous retrouverez avec du graphène de mauvaise qualité.Vous pouvez également produire du graphène par exfoliation mécanique , mais cela ne vous permet pas de contrôler la taille ou l'épaisseur du graphène que vous produisez.
C'est là qu'interviennent les progrès du graphène gravé au laser. Il existe deux manières principales d'y parvenir. La première consiste à commencer avec l'oxyde de graphène. Comme auparavant : vous prenez du graphite et l'oxydez, mais au lieu de le réduire chimiquement, vous le réduisez. avec un laser. Contrairement à l'oxyde de graphène chimiquement réduit, il s'agit d'un produit de haute qualité qui peut être utilisé, entre autres, dans les supercondensateurs, les circuits électroniques et les cartes mémoire.
Vous pouvez également utiliser du polyimide, un plastique haute température, et modeler du graphène directement avec un laser. Le laser rompt les liaisons chimiques dans le réseau polyimide et les atomes de carbone se réorganisent thermiquement pour former de fines feuilles de graphène de haute qualité. Le polyimide a montré une tonne d'applications potentielles, car si vous pouvez graver des circuits de graphène dessus, vous pouvez transformer n'importe quelle forme de polyimide en électronique portable. Celles-ci, pour n'en nommer que quelques-unes, incluent :
Mais le plus excitant, compte tenu de l’émergence, de l’essor et de l’omniprésence des nouvelles découvertes du graphène gravé au laser, se situe peut-être à l’horizon de ce qui est actuellement possible. Avec le graphène gravé au laser, vous pouvez récolter et stocker de l’énergie : un dispositif de contrôle de l’énergie. .L'un des exemples les plus flagrants d'échec technologique est celui des batteries. Aujourd'hui, nous utilisons presque des produits chimiques à cellules sèches pour stocker l'énergie électrique, une technologie vieille de plusieurs siècles. Des prototypes de nouveaux dispositifs de stockage, tels que des batteries zinc-air et des batteries à semi-conducteurs. des condensateurs électrochimiques flexibles ont été créés.
Avec le graphène gravé au laser, nous pouvons non seulement révolutionner la façon dont nous stockons l'énergie, mais nous pouvons également créer des dispositifs portables qui convertissent l'énergie mécanique en électricité : des nanogénérateurs triboélectriques. Nous pouvons créer des photovoltaïques organiques remarquables qui ont le potentiel de révolutionner l'énergie solaire. pourrait également fabriquer des biopiles à combustible flexibles ;les possibilités sont énormes. Aux frontières de la collecte et du stockage de l’énergie, les révolutions sont toutes à court terme.
De plus, le graphène gravé au laser devrait ouvrir la voie à une ère de capteurs sans précédent. Cela inclut les capteurs physiques, car les changements physiques (tels que la température ou la contrainte) entraînent des modifications des propriétés électriques telles que la résistance et l'impédance (qui incluent également les contributions de la capacité et de l'inductance). ).Il comprend également des dispositifs qui détectent les changements dans les propriétés des gaz et l'humidité et, lorsqu'ils sont appliqués au corps humain, les changements physiques dans les signes vitaux d'une personne. Par exemple, l'idée d'un tricordeur inspiré de Star Trek pourrait rapidement devenir obsolète en il suffit d'attacher un patch de surveillance des signes vitaux qui nous alerte instantanément de tout changement inquiétant dans notre corps.
Cette réflexion pourrait également ouvrir un tout nouveau domaine : les biocapteurs basés sur la technologie du graphène gravé au laser. Une gorge artificielle basée sur le graphène gravé au laser pourrait aider à surveiller les vibrations de la gorge, en identifiant les différences de signaux entre la toux, les bourdonnements, les cris, la déglutition et les hochements de tête. mouvements.Le graphène gravé au laser présente également un grand potentiel si vous souhaitez créer un biorécepteur artificiel capable de cibler des molécules spécifiques, de concevoir divers biocapteurs portables ou même de contribuer à diverses applications de télémédecine.
Ce n'est qu'en 2004 qu'une méthode de production de feuilles de graphène, du moins intentionnellement, a été développée pour la première fois. Au cours des 17 années qui ont suivi, une série d'avancées parallèles a finalement mis au premier plan la possibilité de révolutionner la façon dont les humains interagissent avec l'électronique. Comparé à toutes les méthodes existantes de production et de fabrication de dispositifs à base de graphène, le graphène gravé au laser permet des modèles de graphène simples, productibles en masse, de haute qualité et peu coûteux dans diverses applications, notamment le changement électronique de la peau.
Dans un avenir proche, il est raisonnable de s'attendre à des progrès dans le secteur de l'énergie, notamment en matière de contrôle de l'énergie, de récupération d'énergie et de stockage d'énergie. À court terme également, des progrès seront réalisés dans le domaine des capteurs, notamment les capteurs physiques, les capteurs de gaz et même les biocapteurs. La révolution viendra probablement des appareils portables, y compris les dispositifs destinés aux applications de diagnostic de télémédecine. Certes, de nombreux défis et obstacles subsistent. Mais ces obstacles nécessitent des améliorations progressives plutôt que révolutionnaires. À mesure que les appareils connectés et l'Internet des objets continuent de croître, le besoin de l'électronique ultra-petite est plus grande que jamais. Avec les dernières avancées en matière de technologie du graphène, l'avenir est déjà là à bien des égards.