Esses 5 avanços recentes estão mudando tudo o que pensávamos saber sobre eletrônica

De eletrônicos vestíveis a sensores microscópicos e telemedicina, novos avanços como grafeno e supercapacitores estão dando vida à eletrônica 'impossível'.



As configurações atômicas e moleculares vêm em um número quase infinito de combinações possíveis, mas as combinações específicas encontradas em qualquer material determinam suas propriedades. O grafeno, que é uma folha individual de um único átomo do material mostrado aqui, é o material mais duro conhecido pela humanidade, mas com propriedades ainda mais fascinantes que revolucionarão a eletrônica no final deste século. (Crédito: Max Pixel)



Principais conclusões
  • O grafeno, uma folha de um único átomo de espessura de uma rede de carbono, é o material mais duro conhecido pela humanidade.
  • Se os pesquisadores descobrissem uma maneira barata, confiável e onipresente de produzir grafeno e depositá-lo em plásticos e outros materiais versáteis, isso poderia levar a uma revolução microeletrônica.
  • Juntamente com outros desenvolvimentos recentes em eletrônica miniaturizada, o grafeno gravado a laser está transformando esse futuro de ficção científica em uma realidade de curto prazo.

Quase tudo que encontramos em nosso mundo moderno depende, de alguma forma, da eletrônica. Desde que descobrimos como aproveitar o poder da eletricidade para gerar trabalho mecânico, criamos dispositivos grandes e pequenos para melhorar tecnologicamente nossas vidas. De iluminação elétrica a smartphones, todos os dispositivos que desenvolvemos consistem em apenas alguns componentes simples costurados em uma ampla variedade de configurações. De fato, por mais de um século, contamos com:



  • uma fonte de tensão (como uma bateria)
  • resistores
  • capacitores
  • indutores

Eles representam os principais componentes de praticamente todos os nossos dispositivos.

Nossa revolução eletrônica moderna, que contou com esses quatro tipos de componentes mais – um pouco mais tarde – o transistor, nos trouxe praticamente todos os itens que usamos hoje. À medida que corremos para miniaturizar a eletrônica, monitorar cada vez mais aspectos de nossas vidas e nossa realidade, transmitir grandes quantidades de dados com quantidades menores de energia e interconectar nossos dispositivos uns aos outros, rapidamente nos deparamos com os limites desses clássicos. tecnologias. Mas cinco avanços estão se unindo no início do século 21 e já estão começando a transformar nosso mundo moderno. Aqui está como tudo está indo para baixo.



grafeno

O grafeno, em sua configuração ideal, é uma rede livre de defeitos de átomos de carbono ligados em um arranjo perfeitamente hexagonal. Ele pode ser visto como um conjunto infinito de moléculas aromáticas. ( Crédito : AlexanderAIUS/CORE-Materials of flickr)



1.) O desenvolvimento do grafeno . De todos os materiais já descobertos na natureza ou criados em laboratório, os diamantes não são mais os mais duros. Há seis que são mais difíceis , sendo o mais difícil o grafeno. Isolado por acidente no laboratório em 2004, o grafeno é uma folha de carbono de um átomo de espessura unida em um padrão de cristal hexagonal. Apenas seis anos após esse avanço, seus descobridores, Andre Geim e Kostya Novoselov, foram agraciado com o Prêmio Nobel de Física . Não é apenas o material mais duro de todos os tempos, com uma incrível resiliência a tensões físicas, químicas e térmicas, mas é literalmente a estrutura atômica perfeita.

O grafeno também tem propriedades condutoras fascinantes, o que significa que se dispositivos eletrônicos, incluindo transistores, pudessem ser feitos de grafeno em vez de silício, eles poderiam ser menores e mais rápidos do que qualquer coisa que temos hoje. Se você misturar grafeno em plástico, poderá transformar o plástico em um material resistente ao calor e mais forte que também conduz eletricidade. Além disso, o grafeno é aproximadamente 98% transparente à luz, o que significa que tem implicações revolucionárias para telas sensíveis ao toque transparentes, painéis emissores de luz e até células solares. Como a Fundação Nobel disse há apenas 11 anos, talvez estejamos à beira de mais uma miniaturização da eletrônica que levará os computadores a se tornarem ainda mais eficientes no futuro.



Mas apenas se outros avanços também ocorressem ao lado desse desenvolvimento. Felizmente, eles têm.

Em comparação com os resistores convencionais, os resistores SMD (dispositivo montado em superfície) são menores. Mostrados aqui em comparação com uma cabeça de fósforo, para escala, esses são os resistores mais miniaturizados, eficazes e confiáveis ​​já criados. ( Crédito : Bersekerus na Wikipedia russa)



2.) Resistores de montagem em superfície . Esta é a mais antiga das novas tecnologias, provavelmente familiar para quem já dissecou um computador ou celular. Um resistor de montagem em superfície é um pequeno objeto retangular, geralmente feito de cerâmica, com bordas condutoras em cada extremidade. O desenvolvimento de cerâmicas, que resistem ao fluxo de corrente elétrica, mas não dissipam energia nem aquecem tanto, possibilitou a criação de resistores superiores aos resistores mais antigos e tradicionais que eram usados ​​anteriormente: resistores de chumbo axial.



Em particular, existem enormes vantagens que acompanham esses pequenos resistores, incluindo:

  • pegada pequena em uma placa de circuito
  • alta confiabilidade
  • dissipação de baixa potência
  • baixa capacitância parasita e indutividade,

Esses recursos os tornam ideais para uso em dispositivos eletrônicos modernos, especialmente dispositivos móveis e de baixa potência. Se você precisar de um resistor, você pode usar um desses SMD (dispositivos montados em superfície) para diminuir o tamanho que você precisa dedicar aos seus resistores ou aumentar a potência que você pode aplicar a eles dentro das mesmas restrições de tamanho .



A fotografia mostra os grandes grãos de um material prático de armazenamento de energia, cálcio-cobre-titanato (CCTO), que é um dos 'supercapacitores' mais eficientes e práticos do mundo. densidade. Capacitores e resistores foram completamente miniaturizados, mas os indutores ficam para trás. ( Crédito : R. K. Pandey/Texas State University)

3.) Supercapacitores . Os capacitores são uma das tecnologias eletrônicas mais antigas de todas. Eles são baseados em uma configuração simples onde duas superfícies condutoras (placas, cilindros, cascas esféricas, etc.) são separadas uma da outra por uma distância muito pequena, com essas duas superfícies capazes de conter cargas iguais e opostas. Quando você tenta passar corrente através de um capacitor, ele carrega; quando você desliga a corrente ou conecta as duas placas, o capacitor descarrega. Os capacitores têm uma ampla gama de aplicações, incluindo armazenamento de energia, rajadas rápidas que liberam energia de uma só vez, até a piezoeletrônica, na qual uma mudança na pressão do seu dispositivo cria um sinal eletrônico.



É claro que fabricar várias placas separadas por pequenas distâncias em escalas muito, muito pequenas não é apenas desafiador, mas fundamentalmente limitado. Avanços recentes em materiais - em particular, cálcio-cobre-titanato (CCTO) — estão permitindo o armazenamento de grandes quantidades de carga em pequenos volumes de espaço: supercapacitores . Esses dispositivos miniaturizados são capazes de carregar e descarregar muitas vezes antes de se desgastarem; carregar e descarregar muito mais rapidamente; e armazena até 100 vezes mais energia por unidade de volume do que os capacitores antigos. Eles são uma tecnologia revolucionária, no que diz respeito à eletrônica miniaturizada.

O novo design de grafeno para o indutor cinético (à direita) finalmente superou os indutores tradicionais em termos de densidade de indutância, como demonstra o painel central (em azul e vermelho, respectivamente). ( Crédito : J. Kang et al., Nature Electronics, 2018)

4.) Superindutores . Último dos três grandes a serem desenvolvidos, os superindutores são o mais novo jogador em cena, tendo só se concretiza em 2018 . Um indutor é basicamente uma bobina de fio, uma corrente e um núcleo magnetizável, todos usados ​​juntos. Os indutores se opõem a uma mudança no campo magnético dentro deles, o que significa que, se você tentar fluir uma corrente através de um, ele resiste por um tempo, depois permite que a corrente flua livremente através dele e, finalmente, resiste à mudança mais uma vez quando você liga a corrente desligada. Junto com resistores e capacitores, eles são os três elementos básicos de todos os circuitos. Mas, mais uma vez, há um limite para o quão pequeno eles podem ficar.

O problema é que o valor da indutância depende da área da superfície do indutor, que é um assassino de sonhos no que diz respeito à miniaturização. Mas, em vez da indutância magnética clássica, existe também o conceito de indutância cinética: onde a própria inércia das próprias partículas portadoras de corrente se opõe a uma mudança em seu movimento. Assim como as formigas que marcham em uma fila precisam conversar umas com as outras para mudar sua velocidade, essas partículas que transportam corrente, como os elétrons, precisam exercer uma força umas sobre as outras para acelerar ou desacelerar. Essa resistência à mudança cria indutância cinética. Liderado por Laboratório de Pesquisa Nanoeletrônica de Kaustav Banerjee , já foram desenvolvidos indutores cinéticos que alavancam a tecnologia do grafeno: o material de maior densidade de indutância alguma vez criado.

grafeno

Os lasers ultravioleta, visível e infravermelho podem ser usados ​​para quebrar o óxido de grafeno para criar folhas de grafeno usando a técnica de gravação a laser. Os painéis da direita mostram imagens de microscópio eletrônico de varredura do grafeno produzido em várias escalas. ( Crédito : M. Wang, Y. Yang e W. Gao, Trends in Chemistry, 2021)

5.) Colocar grafeno em qualquer dispositivo . Vamos fazer um balanço, agora. Temos grafeno. Temos superversões — miniaturizadas, robustas, confiáveis ​​e eficientes — de resistores, capacitores e indutores. A última barreira para uma revolução ultra-miniaturizada na eletrônica, pelo menos em teoria, é a capacidade de transformar qualquer dispositivo, feito de praticamente qualquer material, em um dispositivo eletrônico. Tudo o que precisamos para tornar isso possível é poder incorporar eletrônicos baseados em grafeno em qualquer tipo de material, incluindo materiais flexíveis, que desejássemos. O fato de o grafeno oferecer boa mobilidade, flexibilidade, força e condutividade, ao mesmo tempo em que é benigno para o corpo humano, o torna ideal para essa finalidade.

Nos últimos anos, a maneira como os dispositivos de grafeno e grafeno foram fabricados veio apenas através de um pequeno punhado de processos que são bastante restritivos . Você pode pegar o grafite antigo e oxidá-lo, depois dissolvê-lo em água e depois fabricar grafeno através da deposição química de vapor. No entanto, apenas alguns substratos podem ter grafeno depositado sobre eles dessa maneira. Você pode reduzir quimicamente esse óxido de grafeno, mas acabará com grafeno de baixa qualidade se fizer dessa maneira. Você também pode produzir grafeno por esfoliação mecânica , mas isso não permite controlar o tamanho ou a espessura do grafeno que você produz.

Se pudéssemos superar essa última barreira, uma revolução eletrônica poderia estar próxima.

grafeno

Muitos dispositivos eletrônicos flexíveis e vestíveis se tornarão possíveis com o avanço do grafeno gravado a laser, inclusive nas áreas de controles de energia, detecção física, detecção química e dispositivos vestíveis e portáteis para aplicações de telemedicina. ( Crédito : M. Wang, Y. Yang e W. Gao, Trends in Chemistry, 2021)

É aí que entra o avanço do grafeno gravado a laser. Existem duas maneiras principais de fazer isso. Um envolve começar com óxido de grafeno. Como antes: você pega grafite e o oxida, mas em vez de reduzi-lo quimicamente, você o reduz com um laser. Ao contrário do óxido de grafeno quimicamente reduzido, isso torna um produto de alta qualidade que tem aplicações para supercapacitores, circuitos eletrônicos e cartões de memória, para citar alguns.

Você também pode tomar poliimida — um plástico de alta temperatura — e modele o grafeno diretamente nele com lasers. Os lasers quebram as ligações químicas na rede de poliimida e os átomos de carbono se reorganizam termicamente, criando folhas finas de grafeno de alta qualidade. Já houve um enorme número de aplicações potenciais demonstradas com poliimida, já que você pode basicamente transformar qualquer forma de poliimida em um dispositivo eletrônico vestível se puder gravar um circuito de grafeno nele. Estes, para citar alguns, incluem:

  • detecção de tensão
  • Diagnóstico Covid-19
  • análise do suor
  • eletrocardiografia
  • eletroencefalografia
  • e eletromiografia

Existem várias aplicações de controle de energia para grafeno gravado a laser, incluindo monitores de movimento de escrita (A), energia fotovoltaica orgânica (B), células de biocombustível (C), baterias recarregáveis ​​de zinco-ar (D) e capacitores eletroquímicos (E). ( Crédito : M. Wang, Y. Yang e W. Gao, Trends in Chemistry, 2021)

Mas talvez o mais empolgante – considerando o advento, a ascensão e a recém-descoberta onipresença do grafeno gravado a laser – esteja no horizonte do que é possível atualmente. Com grafeno gravado a laser, você pode coletar e armazenar energia: um dispositivo de controle de energia. Um dos exemplos mais flagrantes de onde a tecnologia não avançou é a bateria. Hoje, praticamente armazenamos energia elétrica com baterias químicas de células secas, uma tecnologia com séculos de idade. Já foram criados protótipos de novos dispositivos de armazenamento, como baterias de zinco-ar e capacitores eletroquímicos flexíveis de estado sólido.

Com o grafeno gravado a laser, poderíamos não apenas revolucionar a maneira como armazenamos energia, mas também criar dispositivos vestíveis que convertem energia mecânica em energia elétrica: nanogeradores triboelétricos. Poderíamos criar dispositivos fotovoltaicos orgânicos superiores, potencialmente revolucionando a energia solar. Poderíamos também criar células de biocombustível flexíveis; as possibilidades são enormes. Nas frentes de coleta e armazenamento de energia, as revoluções estão no horizonte de curto prazo.

Grafeno gravado a laser tem um tremendo potencial para biossensores, incluindo a detecção de ácido úrico e tirosina (A), metais pesados ​​(B), monitoramento de cortisol (C), a detecção de ácido ascórbico e amoxicilina (D) e trombina (E) . ( Crédito : M. Wang, Y. Yang e W. Gao, Trends in Chemistry, 2021)

Além disso, o grafeno gravado a laser deve inaugurar uma era sem precedentes de sensores. Isso inclui sensores físicos, pois mudanças físicas, como temperatura ou tensão, podem causar alterações nas propriedades elétricas, como resistência e impedância (que também inclui contribuições de capacitância e indutância). Também inclui dispositivos que detectam alterações nas propriedades e umidade do gás, bem como – quando aplicado ao corpo humano – alterações físicas nos sinais vitais de alguém. A ideia inspirada em Star Trek de um tricorder, por exemplo, pode rapidamente se tornar obsoleta simplesmente anexando um patch de monitoramento de sinais vitais que nos alerta instantaneamente sobre quaisquer mudanças preocupantes em nossos corpos.

Essa linha de pensamento também pode abrir um campo totalmente novo: biossensores baseados na tecnologia de grafeno gravada a laser. Uma garganta artificial baseada em grafeno gravado a laser pode ajudar a monitorar a vibração da garganta, reconhecendo as diferenças nos sinais entre os movimentos de tossir, cantarolar, gritar, engolir e balançar a cabeça. O grafeno gravado a laser também tem um tremendo potencial se você quiser criar um biorreceptor artificial capaz de direcionar moléculas específicas, projetar todos os tipos de biossensores vestíveis ou até mesmo ajudar a habilitar uma variedade de aplicações de telemedicina.

O grafeno gravado a laser tem muitas aplicações vestíveis e de telemedicina. Aqui são mostrados o monitoramento eletrofisiológico da atividade (A), um adesivo de monitoramento do suor (B) e um monitor rápido de diagnóstico COVID-19 para telemedicina (C). ( Crédito : M. Wang, Y. Yang e W. Gao, Trends in Chemistry, 2021)

Foi somente em 2004 que um método para produzir folhas de grafeno, pelo menos intencionalmente, foi desenvolvido. Nos 17 anos que se seguiram, uma série de avanços paralelos finalmente colocou a possibilidade de revolucionar a forma como a humanidade interage com a eletrônica à beira da vanguarda. Comparado a todas as formas anteriores de produzir e fabricar dispositivos baseados em grafeno, o grafeno gravado a laser permite padrões de grafeno simples, de alta qualidade e baratos em uma ampla variedade de aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos na pele.

No futuro próximo, não seria razoável antecipar avanços no setor de energia, incluindo controle de energia, colheita de energia e armazenamento de energia. Também no horizonte de curto prazo estão os avanços em sensores, incluindo sensores físicos, sensores de gás e até biossensores. A maior revolução provavelmente virá em termos de dispositivos vestíveis, incluindo aqueles usados ​​para aplicações de telemedicina diagnóstica. Para ter certeza, muitos desafios e barreiras ainda permanecem. Mas esses obstáculos exigem melhorias incrementais, não revolucionárias. À medida que os dispositivos conectados e a internet das coisas continuam a decolar, a demanda por eletrônicos ultraminiaturizados é maior do que nunca. Com os recentes avanços na tecnologia do grafeno, o futuro, em muitos aspectos, já está aqui.

Neste artigo química

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