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現代世界で私たちが遭遇するほぼすべてのものは、ある程度エレクトロニクスに依存しています。電気を使用して機械的な仕事を生成する方法を初めて発見して以来、私たちは生活を技術的に向上させるために大小さまざまなデバイスを作成してきました。電灯からスマートフォンに至るまで、あらゆるデバイスが私たちが開発する製品は、さまざまな構成で縫い合わされたいくつかの単純なコンポーネントで構成されています。実際、1 世紀以上にわたり、私たちは次のものに依存してきました。
私たちの現代のエレクトロニクス革命は、これら 4 種類のコンポーネントと、その後のトランジスタに依存して、今日私たちが使用するほぼすべてのものをもたらしています。電力を削減し、デバイスを相互に接続すると、すぐにこれらの古典的な限界に遭遇します。テクノロジー。しかし、2000 年代初頭には、5 つの進歩がすべて集まり、現代世界を変革し始めました。すべてがどのように進んだかは次のとおりです。
1.) グラフェンの開発。自然界に存在する、または実験室で作成されたすべての材料の中で、ダイヤモンドはもはや最も硬い材料ではありません。より硬い材料は 6 つあり、最も硬いのはグラフェンです。2004 年に、原子の厚さの炭素シートであるグラフェンが開発されました。六角形の結晶パターンで一緒にロックされていたが、実験室で偶然分離されました。この進歩からわずか6年後、その発見者のアンドレイ・ハイムとコスチャ・ノヴォセロフはノーベル物理学賞を受賞しました。これまでに作られた材料の中で最も硬いだけでなく、信じられないほどの弾力性があります。物理的、化学的、熱的ストレスが影響しますが、実際には原子の完全な格子です。
グラフェンには魅力的な導電特性もあります。つまり、トランジスタを含む電子デバイスをシリコンの代わりにグラフェンで作ることができれば、今日のものよりも小型で高速になる可能性があります。グラフェンをプラスチックに混ぜると、次のようなものに変えることができます。耐熱性があり、より強力な材料であり、電気も伝導します。さらに、グラフェンは光に対して約 98% 透明です。これは、グラフェンが透明なタッチスクリーン、発光パネル、さらには太陽電池にとっても革命的であることを意味します。ノーベル財団が 11 年間述べたように「おそらく、私たちはエレクトロニクスのさらなる小型化に直面しており、将来的にはコンピューターの効率がさらに向上するでしょう。」
2.) 表面実装抵抗器。これは最も古い「新しい」技術であり、おそらくコンピュータや携帯電話を解剖したことのある人なら誰でもよく知っているでしょう。表面実装抵抗器は小さな長方形の物体で、通常はセラミック製で、両端に導電性の端があります。多くの電力や熱を散逸することなく電流の流れに抵抗するセラミックの開発により、以前に使用されていた古い伝統的な抵抗器、つまりアキシャルリード抵抗器よりも優れた抵抗器を作成することが可能になりました。
これらの特性により、現代の電子機器、特に低電力デバイスやモバイル デバイスでの使用に最適です。抵抗器が必要な場合は、これらの SMD (表面実装デバイス) のいずれかを使用して、抵抗器に必要なサイズを小さくしたり、抵抗器のサイズを大きくしたりできます。同じサイズの制約内でそれらに適用できる電力。
3.) スーパーキャパシタ。キャパシタは最も古い電子技術の 1 つです。それらは、2 つの導電性表面 (プレート、円筒、球形シェルなど) が互いにわずかな距離だけ離れているという単純なセットアップに基づいています。表面は等しい電荷と反対の電荷を維持することができます。コンデンサに電流を流そうとするとコンデンサは充電され、電流をオフにするか 2 つのプレートを接続するとコンデンサは放電します。コンデンサには、エネルギー貯蔵、蓄電、蓄電など幅広い用途があります。放出されたエネルギーの急速なバースト、およびデバイス圧力の変化が電気信号を生成する圧電エレクトロニクス。
もちろん、非常に小規模なスケールで、微小な距離を隔てた複数のプレートを作成することは、困難なだけでなく根本的に限界があります。最近の材料、特にチタン酸カルシウム銅 (CCTO) の進歩により、小さな空間に大量の電荷を蓄えることができるスーパーキャパシタが登場しました。これらの小型デバイスは、磨耗するまでに複数回充電および放電できます。充電と放電が速くなります。古いコンデンサの単位体積あたり 100 倍のエネルギーを蓄えます。これらは、電子機器の小型化に関しては革新的な技術です。
4.) スーパーインダクタ。「ビッグ 3」の最後として、スーパーインダクタは 2018 年までに登場した最新のプレーヤーです。インダクタは基本的に、磁化可能なコアと一緒に使用される電流を流すコイルです。インダクタは内部磁気の変化に抵抗します。これは、電流を流そうとすると、しばらく抵抗し、その後電流が自由に流れるようになり、最後に電流をオフにすると再び抵抗が変化することを意味します。抵抗器やコンデンサーと並んで、これらは抵抗器とコンデンサーの組み合わせです。すべての回路の 3 つの基本要素。しかし、繰り返しになりますが、それらをどれだけ小さくできるかには限界があります。
問題は、インダクタンスの値がインダクタの表面積に依存することであり、これは小型化の観点からは夢のまた夢です。しかし、古典的な磁気インダクタンスに加えて、運動エネルギーインダクタンスの概念もあります。電流が流れる粒子自体が動きの変化を防ぎます。列をなすアリが速度を変えるために互いに「会話」する必要があるのと同じように、これらの電流が流れる粒子は、電子と同様に、速度を上げるために互いに力を及ぼす必要があります。この変化に対する抵抗が、動きの感覚を生み出します。カウスタフ・バナジーのナノエレクトロニクス研究研究所の指導の下、グラフェン技術を使用した運動エネルギーインダクターが開発されました。これは、これまでに記録された中で最も高いインダクタンス密度の材料です。
5.) グラフェンを任意のデバイスに搭載します。さて、評価してみましょう。私たちにはグラフェンがあります。抵抗器、コンデンサー、インダクターの「スーパー」バージョンがあり、小型化され、堅牢で、信頼性が高く、効率的です。エレクトロニクスにおける超小型化革命の最後のハードル少なくとも理論的には、あらゆるデバイス (ほぼあらゆる材料でできている) を電子デバイスに変えることができます。これを可能にするために必要なのは、グラフェンベースのエレクトロニクスをあらゆる種類の材料に埋め込む能力だけです。グラフェンは流動性、柔軟性、強度、導電性に優れ、人体に無害であるため、この用途に最適です。
ここ数年、グラフェンとグラフェン デバイスは、それ自体がかなり厳格な少数のプロセスを経てのみ達成される方法で製造されてきました。普通の古いグラファイトを酸化し、水に溶解し、化学蒸気によってグラフェンを作ることができます。ただし、この方法でグラフェンを堆積できる基板はほんのわずかしかありません。酸化グラフェンを化学的に還元することはできますが、そうすると低品質のグラフェンが得られます。また、機械的剥離によってグラフェンを生成することもできます。 , しかし、これでは、生成するグラフェンのサイズや厚さを制御することはできません。
ここで、レーザー彫刻グラフェンの進歩が活かされます。これを達成するには、主に 2 つの方法があります。1 つは、酸化グラフェンから始めることです。前と同じです。グラファイトを取り出して酸化しますが、化学的に還元するのではなく、還元します。化学的に還元された酸化グラフェンとは異なり、スーパーキャパシタ、電子回路、メモリカードなどに使用できる高品質の製品です。
高温プラスチックであるポリイミドを使用し、レーザーで直接グラフェンをパターン化することもできます。レーザーはポリイミドのネットワーク内の化学結合を切断し、炭素原子が熱的に再組織化して、薄くて高品質のグラフェン シートを形成します。ポリイミドは、次のことを示しています。グラフェン回路を彫刻できれば、基本的にあらゆる形状のポリイミドをウェアラブル エレクトロニクスに変えることができるため、潜在的な用途は数多くあります。いくつか例を挙げると、次のようなものがあります。
しかし、おそらく最もエキサイティングなことは、レーザー彫刻されたグラフェンの新たな発見の出現、台頭、普及を考えると、現在可能なことが実現しつつあることです。レーザー彫刻されたグラフェンを使用すると、エネルギーを採取して保存できる、つまりエネルギー制御デバイスです。技術の進歩に失敗した最もひどい例の 1 つは電池です。今日、私たちは電気エネルギーを保存するために、何世紀も前の技術である乾電池の化学反応をほとんど使用しています。空気亜鉛電池や固体電池などの新しい蓄電装置のプロトタイプフレキシブル電気化学コンデンサが作成されました。
レーザー彫刻されたグラフェンを使用すると、エネルギーを保存する方法に革命を起こすだけでなく、機械エネルギーを電気に変換するウェアラブル デバイス、つまり摩擦電気ナノ発電機を作成することもできます。太陽エネルギーに革命をもたらす可能性のある注目すべき有機太陽光発電を作成することができます。柔軟なバイオ燃料電池も作ることができる。可能性は膨大です。エネルギーの収集と貯蔵の最前線では、革命はすべて短期間に起こります。
さらに、レーザー彫刻されたグラフェンは、前例のないセンサーの時代の到来をもたらすはずです。これには物理センサーが含まれます。これは、物理的変化（温度やひずみなど）によって、抵抗やインピーダンスなどの電気的特性が変化するためです（これには、キャパシタンスやインダクタンスの影響も含まれます）。 ）。また、ガスの特性や湿度の変化を検出するデバイスも含まれます。また、人体に適用すると、誰かのバイタルサインの物理的な変化を検出します。たとえば、スタートレックにインスピレーションを得たトリコーダーのアイデアは、次のような手段によってすぐに時代遅れになる可能性があります。バイタルサイン監視パッチを貼り付けるだけで、私たちの体の気になる変化を即座に警告します。
この考え方は、レーザー彫刻されたグラフェン技術に基づくバイオセンサーというまったく新しい分野を切り開く可能性もあります。レーザー彫刻されたグラフェンに基づく人工喉は、喉の振動を監視し、咳、ブンブン言う音、叫び声、嚥下、うなずきの間の信号の違いを識別するのに役立つ可能性があります。レーザー彫刻されたグラフェンは、特定の分子をターゲットにしたり、さまざまなウェアラブル バイオセンサーを設計したり、さらにはさまざまな遠隔医療アプリケーションの実現に役立つ人工生体受容体を作成したい場合にも、大きな可能性を秘めています。
少なくとも意図的にグラフェン シートを製造する方法が初めて開発されたのは 2004 年でした。それから 17 年間、一連の並行した進歩により、人間がエレクトロニクスと対話する方法に革命をもたらす可能性がついに最前線に浮かび上がりました。グラフェンベースのデバイスを製造および製造する既存のすべての方法と比較して、レーザー彫刻グラフェンは、スキンエレクトロニクスの変更を含むさまざまな用途で、シンプルで大量生産可能、高品質で安価なグラフェンパターンを可能にします。
近い将来、エネルギー制御、環境発電、エネルギー貯蔵などのエネルギー分野の進歩が期待されるのは当然です。また、近い将来には、物理​​センサー、ガスセンサー、さらにはバイオセンサーなどのセンサーも進歩します。革命は、診断遠隔医療アプリケーション用のデバイスを含むウェアラブルから起こる可能性が高いです。確かに、多くの課題や障害が残っています。しかし、これらの障害には、革命的な改善ではなく漸進的な改善が必要です。コネクテッド デバイスとモノのインターネットが成長し続けるにつれて、超小型エレクトロニクスはこれまで以上に進歩しています。グラフェン技術の最新の進歩により、未来はさまざまな面ですでに到来しています。