Эпоха графена и как она изменит наш мобильный опыт
Возможно, вы слышали о графене. С момента его открытия ученые рекламировали его потенциал для преобразования нашего мира. От космических лифтов до медицинских наноустройств – список потенциальных применений графена огромен. Но что такое графен? Каковы его свойства и наиболее интересные приложения? И как это может изменить мобильные технологии? Давайте нырнем!
Графен: первый в своем роде материал
Графен – это первый двумерный материал, известный человеку. Хотя большинство материалов имеют структуру, состоящую из атомов, расположенных в трехмерной структуре, графен состоит из одного слоя атомов углерода. По сути, это лист углерода толщиной в один атом.
Графен был выделен из графита, который является еще одной формой углерода, в 2004 году двумя профессорами Манчестерского университета, Андре Геймом и Костей Новоселовым. Их работа принесла им Нобелевскую премию по физике в 2010 году (что сделало Новоселова одним из самых молодых обладателей этой премии в области физики), когда я еще был там докторантом. Это научное признание позже привело к созданию Национального института графена Великобритании с целью дальнейшего развития исследований графена.
Трудно поверить, но экзотический графен был впервые получен с помощью очень простого процесса, с использованием старого доброго скотча! Вот визуальное представление того, как это произошло.
По сути, кристаллы графена толщиной в один атом были изолированы в момент Эврики путем многократного наложения скотча на полоску древесного угля (то есть углерода), при каждом применении уменьшая толщину кристаллов до тех пор, пока они не уменьшатся до атомной толщины. Одиночный слой атомов образует двумерную сотовую структуру. Удивительно, но этот метод надежно работает даже в домашних условиях, так что смело, если вы хотите попробовать себя – вам понадобится скотч, графитовый грифель и небольшой микроскоп, чтобы увидеть, что вы создали!
Графен сохраняет все преимущества углерода в том, что он одновременно легкий и прочный – вспомните, как углеродное волокно (сочетание углеродной ткани с эпоксидной смолой под атмосферным давлением) изменило космическую и автомобильную промышленность благодаря тем же свойствам. Углеродное волокно также проникает в мобильные технологии: такие компании, как Dell и Lenovo, используют шасси из углеродного волокна, чтобы делать ноутбуки, которые в то же время более прочные и легкие.
Помимо легкости и прочности, графен обладает некоторыми поразительными свойствами, которые мы рассмотрим ниже.
Graphene: Это тот супергерой, которого мы так долго ждали?
Исследования различных свойств и применений графена показывают, что его потенциал может быть буквально безграничным. В области мобильных технологий применения графена варьируются от прозрачных и гибких экранов до аккумуляторов следующего поколения, которые могут работать намного дольше, чем все, что мы видели до сих пор, до чрезвычайно мощных процессоров.
Суперконденсаторные батареи на основе графена
Батареи следующего поколения перейдут от электрохимических элементов (например, литий-ионных) к суперконденсаторам, которые накапливают энергию в электрическом поле вместо контролируемой химической реакции. Суперконденсаторы обеспечивают гораздо более быстрое время зарядки (порядка секунд), они более долговечны и стабильны в более широком диапазоне температур по сравнению с батареями. К тому же они намного дороже.
В настоящее время в суперконденсаторах используется активированный уголь с большой площадью поверхности, который способствует накоплению и разрядке электрического тока. Их производительность можно повысить еще больше, если использовать графен, также сделанный из чистого углерода, который имеет еще большую площадь поверхности просто из-за его 2D-структуры.
Пока что диапазон цен на промышленно синтезированный графен несколько варьируется, но нижний ценовой диапазон в настоящее время считается конкурентоспособным по сравнению с ценами на активированный уголь, а это означает, что он может помочь сделать суперконденсаторы более доступными по мере увеличения объемов производства.
дешевые суперконденсаторы могут обеспечить батареи, которые служат намного дольше и заряжаются почти мгновенно
Крайне необходима лучшая технология аккумуляторов. Благодаря графену дешевые суперконденсаторы могут обеспечивать батареи, которые служат намного дольше и заряжаются почти мгновенно. Такие разработки были бы лучше для пользовательского опыта, но также и для окружающей среды. Электроэнергия, которую мы храним, будет использоваться гораздо более эффективно (и, надеюсь, поможет нам сэкономить на счетах). Кроме того, производство батарей будет зависеть от более экологически чистых и природных богатых ресурсов, а не от лития.
Гибкие / складные экраны
Гибкие и полупрозрачные экраны уже внедряются такими производителями, как LG, и, по слухам, у Samsung в планах будущего складной смартфон. В этих новых приложениях используется тонкий слой OLED, заключенный в гибкий лист пластика.
Что касается материаловедения, то команда под руководством соавтора графена Кости Новоселова разработала двумерный светодиодный полупроводник, в котором используются светодиоды и металлический графен на атомном уровне, что привело к чрезвычайно тонкому форм-фактору. Мы должны признать, что на данный момент довольно сложно судить, как эти новые технологии будут сочетаться друг с другом в реальных приложениях (не считая того факта, что приложения на основе графена неизбежно будут тоньше).
Эти новые форм-факторы могут быть доступны для использования потребителями в ближайшие пять лет. Однако нам нужно подождать и посмотреть, какой спрос на гибкие и прозрачные экраны будет на потребительском рынке.
Попрощаемся с кремниевым чипом?
Исследование электропроводящих свойств графена предполагает, что его полупроводниковыми свойствами при комнатной температуре можно управлять для достижения сверхпроводимости (например, путем добавления контролируемых примесей в его естественную сотовую структуру). Эти результаты позволяют предположить, что применение графена может быть особенно востребовано в различных вычислительных технологиях, повышающих скорость и эффективность (в частности, уменьшающих проблемы нагрева). В этой области появляется все больше и больше исследований, и результаты неизменно демонстрируют, что применение слоев графена значительно улучшает тепловые характеристики микропроцессоров.. В ходе исследований ученые добились снижения рабочих температур более чем на 13 ° C, причем каждые 10 ° C повышения энергоэффективности удваиваются. Да, это означает, что графен и другие недавно открытые 2D-материалы в конечном итоге преобразуют кремниевый чип!
Некоторые из наших читателей могут подумать: «Хорошо, мы все слышали слухи о проблемах с перегревом в первом поколении Snapdragon 810, которые позже были решены во втором поколении SoC, на котором работают такие устройства, как Nexus 6P и Sony Xperia. Z5 серия. Так в чем же особенность этого исследования и почему мы должны быть в восторге от него? »
Потенциал графена выходит за рамки каких-либо значительных улучшений, которые мы наблюдаем от одного поколения смартфонов к другому. Графен обладает потенциалом изменить ландшафт суперкомпьютеров в таких областях, как прогнозирование глобального климата (учтите, что глобальное потепление создает больше энтропии в микро- и макроклиматических системах, делая прогнозы более сложными и сложными в вычислительном отношении), космической науке, анализе больших данных, и исследования в области искусственного интеллекта. Это все области, в которых всегда будет требоваться большая вычислительная мощность и более высокая эффективность.
С появлением Интернета вещей (IoT) в последнее десятилетие повышение скорости обработки информации и подключения также изменит нашу повседневную жизнь. Надеюсь, у нас будет больше шансов оставаться в курсе дел в нашей все более беспокойной и напряженной жизни. Свойство сверхпроводимости графена будет одной из ключевых особенностей, которые помогут нам достичь более высоких скоростей обработки данных.
Смартфон в том виде, в каком мы его знаем, скорее всего, сохранит свой форм-фактор, и мы не ожидаем значительных улучшений скорости при повседневной работе просто потому, что современные процессоры уже очень быстрые. Тем не менее, с приложениями графена пробиваются на рынок, это просто представить себе таких устройств, как перо свет версии Google Glass или SmartWatch это не 1,2 сантиметра в толщину (помните, недавно введенный Tag Heuer Connected?) Прилагаемые смартфоны. Конечно, все устройства будут оперативно подключаться и взаимодействовать друг с другом.
Просто подумайте об улучшениях в распознавании речи Google Now / Siri / Cortana за последние два года и умножьте это на сотню.
Наряду с улучшением облачных суперкомпьютеров и скорости подключения, это трио устройств сможет обслуживать мобильных помощников с индивидуально адаптированным искусственным интеллектом, с которым мы можем взаимодействовать естественным образом. Просто подумайте об улучшениях в распознавании речи Google Now / Siri / Cortana за последние два года и умножьте это на сотню.
Возможно, нам стоит подумать не только о смартфонах. Недавно я был проинформирован о разработке многоэлектродных решеток на основе графена (MEA) для хирургических имплантатов. Это ключевые компоненты того, что в нейробиологии называется интерфейсом мозг-машина (ИМТ). Эта технология направлена на то, чтобы помочь людям с судорогами или различными заболеваниями моторного контроля, путем выборочной отправки электрических стимулов в определенные области мозга, чтобы компенсировать потерю информации из-за неврологического заболевания. Эти новые MEAs будут использовать свойство сверхпроводимости графена, обеспечивая более высокие скорости передачи и биологическую совместимость.
Это новое направление завораживает. Учтите, что Хироши Локхаймер, нынешний глава Android в Google, недавно написал в Твиттере об устройстве для УЗИ всего тела, которое работает на устройстве Samsung Galaxy S6 Edge. Локхаймер сказал, что сотрудники Google никогда не предполагали таких возможностей, когда они выпустили первый телефон Android в 2008 году. Точно так же, благодаря графену и другим разработкам, устройства Android могут однажды предоставить персонализированную помощь нуждающимся в терпении.
Какие проблемы?
Это видение будущего, которое мы только что нарисовали, и то, как мобильные технологии изменили нашу жизнь до сих пор, могут напомнить Хаксли «О дивный новый мир». Возможно, это требует отдельного разговора. Но как насчет промышленных проблем, стоящих на пути внедрения графена?
Мы не будем рассматривать все проблемы, которые нам необходимо преодолеть, но в этой отличной статье от Nature подробно рассматриваются возможности и проблемы. Тем не менее, производственные затраты, объемы производства и сопротивление текущим технологиям являются ключевыми проблемами, которые необходимо решить, чтобы устройства на основе графена стали обычным явлением.
Может ли графен быть тем суперматериалом, которого мы так долго ждали? Короткий ответ – да, но потребуется время, чтобы вытеснить зрелую кремниевую промышленность. Так же, как OLED по-прежнему не является доминирующей технологией отображения, даже если его превосходные технологии на основе графена должны будут преодолеть сопротивление кремниевой промышленности. Существует огромная сеть компаний, производящих дешевые и надежные кремниевые интегральные схемы. Назревает экономическая битва между устоявшимися компаниями и выскочками из графена.
Самым большим преимуществом силикона перед графеном является 70 лет непрерывных исследований.
Кремний – это полупроводниковый элемент, который довольно распространен по своей природе (что делает его относительно дешевым), а его свойства позволяют легко управлять движением электронов по цепи, что делает его очень подходящим для разработки электронных микросхем, которые должны надежно работать в различных тепловых условиях. На данный момент самым большим преимуществом силикона перед графеном является 70 лет непрерывных исследований, которые позволили улучшить его различные промышленные применения.
Нам нужны дополнительные исследования, чтобы раскрыть истинный потенциал графена в лабораторных условиях, прежде чем его можно будет надежно использовать в различных мобильных технологиях. Хотя количество патентных заявок на основе графена резко возросло с 2010 года, это все еще меньше шестой части всех приложений, связанных с кремнием, что демонстрирует, почему этот переход потребует времени.
С другой стороны, учитывая, что графен состоит из углерода, он гораздо более распространен в природе, чем силикон, и это означает, что после создания подходящей технологии для массового производства это также поможет снизить затраты на изготовление электронных чипов.
Древнее вдохновение
Некоторые из читателей могут спросить: «Хорошо, теперь у нас есть чудо-материал, который мы можем использовать в батареях, гибких экранах и микропроцессорах, которые могут изменить нашу жизнь. Вы сказали нам, что это на самом деле двухмерный слой, который можно наносить на другие материалы путем нанесения покрытия или герметизации между слоями; и это работает. Но если вы хотите пойти дальше и сложить их один слой за другим, он больше не станет двухмерным слоем графена, так как же вы можете создавать 3D-объекты из 2D-слоя? »
Здесь, я думаю, стоит упомянуть одно недавнее исследование, которое раздвинуло границы нестандартного мышления. После лабораторных наблюдений, показывающих, что графен обладает свойствами, аналогичными свойствам бумаги, физики из Корнельского университета решили эту проблему, вдохновившись традиционной формой японского искусства вырезания из бумаги под названием киригами. В недавнем исследовании, опубликованном в известном журнале Nature, исследователи использовали эту технику для создания трехмерных структур из двумерных слоев графена, используя его структурную прочность (которая, по оценкам, в 300 раз прочнее стали). Смотрите дайджест исследования здесь:
Комбинируя такие пирамидальные структуры с резисторами высокого класса от кончика до основания, можно было бы довольно просто спроектировать вентили, которые будут направлять высокоскоростной информационный поток внутри микрочипов.
Заворачивать
История графена началась со старого доброго скотча, и современные исследования показывают, что его развивает традиционное искусство вырезания из бумаги. В течение следующих пяти лет или около того мы можем стать свидетелями конца эпохи кремния и начала эпохи сверхполупроводников, поскольку прогрессивные исследования выделяют больше материалов со свойствами, аналогичными свойствам графена, который инициировал это преобразование. Мы все должны следить за этими достижениями, которые определят будущее нашей мобильной связи.
Доктор Ойкономоу наблюдает за хлопьями графена в микроскоп.
Исследователь из Манчестерского университета работает над графеновыми приложениями.
Графен может быть использован для электроники, встроенной в контактные линзы
Источник записи: https://www.androidauthority.com