Láser

Casi todo lo que encontramos en nuestro mundo moderno se basa, de alguna manera, en la electrónica. Desde que descubrimos por primera vez cómo aprovechar el poder de la electricidad para generar trabajo mecánico, hemos creado dispositivos grandes y pequeños para mejorar tecnológicamente nuestras vidas. Desde la iluminación eléctrica hasta los teléfonos inteligentes, cada dispositivo que hemos desarrollado consta de solo unos pocos componentes simples unidos en una amplia variedad de configuraciones. De hecho, durante más de un siglo, hemos confiado en:

Estos representan los componentes principales de prácticamente todos nuestros dispositivos.

Nuestra revolución electrónica moderna, que se basó en estos cuatro tipos de componentes más, un poco más tarde, el transistor, nos ha traído prácticamente todos los artículos que usamos hoy. A medida que corremos para miniaturizar la electrónica, monitorear más y más aspectos de nuestras vidas y nuestra realidad, transmitir mayores cantidades de datos con menos energía e interconectar nuestros dispositivos entre sí, rápidamente nos encontramos con los límites de estos clásicos. tecnologías Pero cinco avances se están uniendo a principios del siglo XXI y ya están comenzando a transformar nuestro mundo moderno. Así es como todo va hacia abajo.

1.) El desarrollo del grafeno . De todos los materiales descubiertos en la naturaleza o creados en el laboratorio, los diamantes ya no son los más duros. Hay seis que son más difíciles, siendo el más difícil el grafeno. Aislado por accidente en el laboratorio en 2004, el grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor unida en un patrón de cristal hexagonal. Apenas seis años después de este avance, sus descubridores, Andre Geim y Kostya Novoselov, recibieron el Premio Nobel de física. No solo es el material más duro que existe, con una increíble resistencia a las tensiones físicas, químicas y térmicas, sino que es, literalmente, la red atómica perfecta.

El grafeno también tiene propiedades conductoras fascinantes, lo que significa que si los dispositivos electrónicos, incluidos los transistores, pudieran estar hechos de grafeno en lugar de silicio, podrían ser más pequeños y más rápidos que cualquier cosa que tengamos hoy. Si mezclas grafeno con plásticos, podrías transformar el plástico en un material más fuerte y resistente al calor que también conduce la electricidad. Además, el grafeno es aproximadamente un 98 % transparente a la luz, lo que significa que tiene implicaciones revolucionarias para pantallas táctiles transparentes, paneles emisores de luz e incluso células solares. Como dijo la Fundación Nobel hace apenas 11 años, "Tal vez estemos al borde de otra miniaturización de la electrónica que llevará a las computadoras a ser aún más eficientes en el futuro".

Pero solo si otros avances también ocurrieron junto con este desarrollo. Afortunadamente, tienen.

2.) Resistencias de montaje en superficie . Esta es la más antigua de las "nuevas" tecnologías, probablemente familiar para cualquiera que haya analizado 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 cada extremo. El desarrollo de la cerámica, que resiste el flujo de corriente eléctrica pero no disipa energía ni se calienta tanto, permitió la creación de resistencias que son superiores a las resistencias tradicionales más antiguas que se usaban anteriormente: resistencias con conductores axiales.

En particular, hay enormes ventajas que vienen con estas pequeñas resistencias, que incluyen:

Estas características los hacen ideales para su uso en dispositivos electrónicos modernos, en particular dispositivos móviles y de bajo consumo. Si necesita una resistencia, puede usar uno de estos SMD (dispositivos montados en superficie) para reducir el tamaño que necesita dedicar a sus resistencias o aumentar la potencia que puede aplicarles dentro de las mismas restricciones de tamaño.

3.) Supercondensadores . Los condensadores son una de las tecnologías electrónicas más antiguas de todas. Se basan en una configuración simple donde dos superficies conductoras (placas, cilindros, capas esféricas, etc.) están separadas entre sí por una distancia muy pequeña, con esas dos superficies capaces de contener cargas iguales y opuestas. Cuando intenta pasar corriente a través de un condensador, se carga; cuando apaga la corriente o conecta las dos placas, el capacitor se descarga. Los condensadores tienen una amplia gama de aplicaciones, que incluyen almacenamiento de energía, ráfagas rápidas que liberan energía de una sola vez, piezoelectrónica, en la que un cambio en la presión de su dispositivo crea una señal electrónica.

Por supuesto, la fabricación de múltiples placas separadas por distancias diminutas en escalas muy, muy pequeñas no solo es desafiante, sino fundamentalmente limitada. Los avances recientes en materiales, en particular, calcio-cobre-titanato (CCTO), están permitiendo el almacenamiento de grandes cantidades de carga en pequeños volúmenes de espacio: supercondensadores. Estos dispositivos miniaturizados pueden cargarse y descargarse muchas veces antes de agotarse; cargar y descargar mucho más rápidamente; y almacena hasta 100 veces más energía por unidad de volumen que los capacitores de estilo antiguo. Son una tecnología que cambia el juego, en lo que respecta a la electrónica en miniatura.

4.) Superinductores . El último de los "tres grandes" que se desarrollará, los superinductores son el jugador más nuevo en la escena, ya que solo llegaron a buen término en 2018. Un inductor es básicamente una bobina de alambre, una corriente y un núcleo magnetizable, todos usados ​​juntos. Los inductores se oponen a un cambio en el campo magnético dentro de ellos, lo que significa que si intenta hacer fluir una corriente a través de uno, lo resiste por un tiempo, luego permite que la corriente fluya libremente a través de él y finalmente resiste el cambio una vez más cuando enciende la corriente apagada. Junto con las resistencias y los capacitores, son los tres elementos básicos de todos los circuitos. Pero, una vez más, hay un límite en lo pequeños que pueden llegar a ser.

El problema es que el valor de la inductancia depende del área de superficie del inductor, que es un asesino de sueños en lo que respecta a la miniaturización. Pero en lugar de la inductancia magnética clásica, también existe el concepto de inductancia cinética: donde la inercia misma de las partículas que transportan corriente se opone a un cambio en su movimiento. Al igual que las hormigas que marchan en línea tienen que "hablar" entre sí para cambiar su velocidad, estas partículas portadoras de corriente, como los electrones, necesitan ejercer una fuerza entre sí para acelerar o desacelerar. Esa resistencia al cambio crea una inductancia cinética. Liderados por el Laboratorio de Investigación de Nanoelectrónica de Kaustav Banerjee, ahora se han desarrollado inductores cinéticos que aprovechan la tecnología de grafeno: el material de mayor densidad de inductancia jamás creado.

5.) Poner grafeno en cualquier dispositivo . Hagamos un balance, ahora. Tenemos grafeno. Tenemos versiones "súper" (miniaturizadas, robustas, confiables y eficientes) de resistencias, capacitores e inductores. La última barrera para una revolución ultraminiaturizada en electrónica, al menos en teoría, es la capacidad de transformar cualquier dispositivo, hecho de prácticamente cualquier material, en un dispositivo electrónico. Todo lo que necesitamos para que esto sea posible es poder incorporar componentes electrónicos basados ​​en grafeno en cualquier tipo de material, incluidos los materiales flexibles, que deseemos. El hecho de que el grafeno ofrezca buena movilidad, flexibilidad, resistencia y conductividad, además de ser benigno para el cuerpo humano, lo hace ideal para este propósito.

En los últimos años, la forma en que se han fabricado el grafeno y los dispositivos de grafeno ha sido solo a través de un pequeño puñado de procesos que son en sí mismos bastante restrictivos. Puede tomar grafito viejo simple y oxidarlo, luego disolverlo en agua y luego fabricar grafeno a través de la deposición química de vapor. Sin embargo, solo unos pocos sustratos pueden tener grafeno depositado sobre ellos de esta manera. Podrías reducir químicamente ese óxido de grafeno, pero terminarás con grafeno de mala calidad si lo haces de esa manera. También podría producir grafeno mediante exfoliación mecánica, pero eso no le permite controlar el tamaño o el grosor del grafeno que produce.

Si tan solo pudiéramos superar esta última barrera, entonces una revolución electrónica podría estar al alcance de la mano.

Ahí es donde entra en juego el avance del grafeno grabado con láser. Hay dos formas principales en que esto se puede lograr. Uno implica comenzar con óxido de grafeno. Como antes: toma grafito y lo oxida, pero en lugar de reducirlo químicamente, lo reduce con un láser. A diferencia del óxido de grafeno reducido químicamente, este es un producto de alta calidad que tiene aplicaciones para supercondensadores, circuitos electrónicos y tarjetas de memoria, por nombrar algunos.

También puede tomar poliimida, un plástico de alta temperatura, y modelar grafeno directamente sobre él con láser. Los láseres rompen los enlaces químicos en la red de poliimida y los átomos de carbono se reorganizan térmicamente, creando láminas delgadas de grafeno de alta calidad. Ya se ha demostrado una enorme cantidad de aplicaciones potenciales con poliimida, ya que básicamente puede convertir cualquier forma de poliimida en un dispositivo electrónico portátil si puede grabar un circuito de grafeno en él. Estos, por nombrar algunos, incluyen:

Pero quizás lo más emocionante, considerando el advenimiento, el ascenso y la nueva ubicuidad del grafeno grabado con láser, se encuentra en el horizonte de lo que es posible actualmente. Con grafeno grabado con láser, podría recolectar y almacenar energía: un dispositivo de control de energía. Uno de los ejemplos más notorios de dónde la tecnología no ha logrado avanzar es la batería. Hoy, prácticamente almacenamos energía eléctrica con baterías químicas de celda seca, una tecnología que tiene siglos de antigüedad. Ya se han creado prototipos de nuevos dispositivos de almacenamiento, como baterías de zinc-aire y condensadores electroquímicos flexibles de estado sólido.

Con el grafeno grabado con láser, no solo podríamos revolucionar potencialmente la forma en que almacenamos energía, sino que también podríamos crear dispositivos portátiles que conviertan la energía mecánica en energía eléctrica: nanogeneradores triboeléctricos. Podríamos crear dispositivos fotovoltaicos orgánicos superiores, potencialmente revolucionando la energía solar. También podríamos crear celdas de biocombustibles flexibles; las posibilidades son tremendas. En los frentes de recolección y almacenamiento de energía, las revoluciones están en el horizonte 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, pueden provocar cambios en las propiedades eléctricas, como la resistencia y la impedancia (que también incluye las contribuciones de la capacitancia y la inductancia). También incluye dispositivos que detectan cambios en las propiedades del gas y la humedad, así como, cuando se aplica al cuerpo humano, cambios físicos en los signos vitales de una persona. La idea inspirada en Star Trek de un tricorder, por ejemplo, podría volverse obsoleta rápidamente simplemente colocando un parche de monitoreo de signos vitales que nos alerta instantáneamente sobre cualquier cambio preocupante en nuestros cuerpos.

Esta línea de pensamiento también puede abrir un campo completamente nuevo: biosensores basados ​​en tecnología de grafeno grabado con láser. Una garganta artificial basada en grafeno grabado con láser puede ayudar a monitorear la vibración de la garganta, reconociendo las diferencias en las señales entre toser, tararear, gritar, tragar y asentir. El grafeno grabado con láser también tiene un enorme potencial si desea crear un biorreceptor artificial capaz de apuntar a moléculas específicas, diseñar todo tipo de biosensores portátiles o incluso ayudar a habilitar una variedad de aplicaciones de telemedicina.

Fue solo en 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 ha colocado la posibilidad de revolucionar la forma en que la humanidad interactúa con la electrónica justo en la cúspide de la vanguardia. En comparación con todas las formas anteriores de producir y fabricar dispositivos basados ​​en grafeno, el grafeno grabado con láser permite un patrón de grafeno simple, producible en masa, de alta calidad y económico en una amplia variedad de aplicaciones, incluidos los dispositivos electrónicos en la piel.

En un futuro a corto plazo, no sería descabellado anticipar avances en el sector de la energía, incluido el control de la energía, la recolección y el almacenamiento de energía. También en el horizonte a corto plazo hay avances en sensores, incluidos sensores físicos, sensores de gas e incluso biosensores. La mayor revolución probablemente vendrá en términos de dispositivos portátiles, incluidos los que se utilizan para aplicaciones de telemedicina de diagnóstico. Sin duda, todavía quedan muchos desafíos y barreras. Pero esos obstáculos requieren mejoras incrementales, no revolucionarias. A medida que los dispositivos conectados y el Internet de las cosas siguen despegando, la demanda de productos electrónicos ultraminiaturizados es mayor que nunca. Con los recientes avances en la tecnología del grafeno, el futuro, en muchos sentidos, ya está aquí.