Bekämpfung von Fälschungen im Nanobereich

Die Bedrohung für die Weltwirtschaft, die nationale Sicherheit und die menschliche Gesundheit im Zusammenhang mit Produktfälschungen und Verletzungen des geistigen Eigentums hat in den letzten Jahren besonders alarmierend zugenommen. Die Globalisierung und das Wachstum des Internets sind die Hauptschuldigen, die am häufigsten für den raschen Anstieg des Handelsvolumens mit gefälschten und nachgeahmten Produkten verantwortlich gemacht werden, das derzeit fast 10% aller weltweit verkauften Waren ausmacht.

Ironischerweise war die Halbleiterindustrie bei all ihren Hightech-Fortschritten extrem anfällig für gefälschte Elektronik. Tatsächlich können nun gefälschte Komponenten so präzise geklont werden, dass es fast unmöglich ist, sie vom Originalartikel zu unterscheiden. Trotz einer Fülle von verfügbaren Techniken zur Fälschungssicherheit wie Hologramme, manipulationssichere Verschlüsse, Tags, Markierungen und Radiofrequenz-Identifikationsetiketten können die meisten von ihnen, so kostspielig und anspruchsvoll sie auch sein mögen, innerhalb von 18 Monaten kopiert werden. Da es keine Silberkugellösung für Fälschungen gibt, ist die Entwicklung neuer Ansätze und die Verbesserung der derzeitigen Technologien dringend erforderlich.

Zu diesem Zweck könnte die Nanotechnologie einen Beitrag zur Verhinderung des illegalen Kopierens von Produkten und geistigem Eigentum leisten, indem sie hochsichere Methoden zur Bekämpfung von Fälschungen bereitstellt, die sich beispielsweise auf natürlich vorkommende physikalische Parametervariationen im Nanobereich oder die Herstellung verdeckter Nanoeigenschaften stützen, die für das Auge völlig unsichtbar sind.

Bei Laseroberflächen-Authentifizierungsanwendungen, die häufig in der Biometrie für Dokumente und Waren eingesetzt werden, umfasst der Identifikationsprozess die optische Überprüfung der Oberflächenrauheit eines Objekts. Die erhöhte Komplexität und Einzigartigkeit der nanoskaligen Oberflächenmerkmale ist praktisch nicht kontrollierbar und macht diese Fingerabdrücke immun gegen Angriffe. Ein weiteres starkes Identifikationswerkzeug ist das Quantenpunkt-(QD)-Tagging, das in den bioanalytischen Wissenschaften und im Bioengineering zur optischen Kodierung von Biomolekülen eingesetzt wird. Dieser Ansatz basiert auf den optischen Eigenschaften von Halbleiter-QDs mit einer spektralen Empfindlichkeit, die durch Variation der QD-Größe oder -Dichte, die als Abstimmparameter für die Intensität des gelesenen optischen Signals dient, leicht gesteuert werden kann. Ähnlich wie das QD-Tagging nutzt die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Fluoreszenztechnik einzigartige elektromagnetische Spektren von Metallnanopartikeln, um sichere nanoskalige Tags herzustellen.

Unter den zahlreichen Beispielen für potente Methoden zur Authentifizierung und Identifikation sowie zur Generierung kryptographischer Schlüssel zeichnen sich insbesondere physisch unklonierbare Funktionen (PUFs) aus. Obwohl diese Sicherheits-Primitive ursprünglich nicht für die Elektronik entwickelt wurden, haben sie weit verbreitete Anwendungen in der Hardware-Sicherheit gefunden und dienen als einzigartige Identität für elektronische Geräte wie integrierte Schaltungen, Hochfrequenz-Identifikationsetiketten und vorprogrammierbare Gate-Arrays. Zur Stärkung elektronischer Vorrichtungen nutzen konventionelle mikroelektronische schaltungsbasierte PUFs, wie Ringoszillator-PUFs, Arbiter-PUFs und SRAM-PUFs, unkontrollierbare winzige Prozessschwankungen in der traditionellen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Fertigungstechnologie. Anstatt digitale Speicher zum Speichern von Geheiminformationen zu verwenden oder einen Benutzer aufzufordern, diese bereitzustellen, entsteht sie durch eine physikalische Eigenschaft des Systems, die vermutlich nicht geklont werden kann. Dennoch haben mehrere Studien gezeigt, wie maschinelle Lerntechniken Angriffe erzeugen können, um verschiedene Arten von PUFs zu brechen, indem sie einen Computeralgorithmus entwickeln, der sich nicht von der ursprünglichen PUF unterscheidet.

Nanoskalige elektronische Geräte könnten wieder einmal die Möglichkeit bieten, diese Sicherheitslücken zu schließen. Zumindest was die Nanotechnologie-Gemeinschaft betrifft, mangelt es nicht an Ideen. Eine mögliche Lösung besteht darin, Variationen im resistiven Zustand von Memristoren in einer Standard-Nanocrossbar-Architektur zu nutzen, um On-Chip-PUFs auf Basis von memristiven Vorrichtungen herzustellen. Damit dieser Ansatz jedoch eine qualitativ hochwertige Zufälligkeit erzeugen kann, müssen die eingestellte Spannung und die Vorspannungsdauer des Geräts präzise gesteuert werden, was eine Herausforderung bleibt.

Die Erforschung nanoskaliger Phänomene für Sicherheitsanwendungen ist ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie die Nanotechnologie, die in etablierten mikroskaligen Konzepten verwurzelt ist, diese Ideen erweitern kann, um die bestehende Technologie auf eine völlig neue Ebene zu heben, die positive gesellschaftliche und wirtschaftliche Auswirkungen hat. Allerdings wird jeder weitere Fortschritt bei den aufkommenden Nanotechnologien zur Bekämpfung von Fälschungen und deren letztendliche Umsetzung zwangsläufig eine weitere experimentelle Validierung, Leistungsbewertung und Zuverlässigkeitsbewertung der nanoskaligen Geräte erfordern. Diese Bemühungen sind bereits im Gange.

Nano Tech Basics

Nano Tech: Die Basics

Unsere Welt hat sich in eine wunderbare technologische Sphäre verwandelt, in der der Alltag ein Wunder ist. Eines dieser Wunder ist die spektakuläre Entdeckung der Nanopartikel, die den Weg zur Erfindung herrlicher Geräte, Werkzeuge, Medikamente und vieles mehr ebnete!

Also lasst uns einsteigen und herausfinden, was eigentlich Nanotechnologie ist?

Was ist NanoTechnologie?

Unter Nanotechnologie versteht man das Entwerfen, Konstruieren und Nutzen von funktionellen Strukturen mit mindestens einer charakteristischen Dimension, gemessen in Nanometern, die aufgrund der begrenzten Größe ihrer Bestandteile Partikel oder Moleküle neue und deutlich verbesserte physikalische, chemische und biologische Eigenschaften, Phänomene und Prozesse aufweisen können.

Der Grund für dieses interessante und sehr nützliche Verhalten liegt darin, dass, wenn charakteristische strukturelle Merkmale zwischen isolierten Atomen und makroskopischen Massenmaterialien liegen, d.h. im Bereich von etwa 10 Potenzen 9m bis 10 Potenzen 7 m (1 bis 100 nm), die Objekte physikalische Eigenschaften aufweisen können, die sich wesentlich von denen unterscheiden, die entweder durch Atome oder Schüttgüter angezeigt werden. Letztendlich kann dies sowohl zu neuen technologischen Möglichkeiten als auch zu neuen Herausforderungen führen.

Norio Taniguchi, ein japanischer Professor, prägte 1974 den Begriff „Nanotechnologie“. Über dreißig Jahre später ist noch immer nicht ganz klar, was Nanotechnologie ist: Die National Nanotechnology Initiative, gegründet von der Clinton Administration im Jahr 2000, definiert Nanotechnologie als das „Verständnis und die Kontrolle der Materie“ auf der Nanoskala, die Biologie, Chemie, Materialwissenschaften, Physik und Ingenieurwesen umfasst, die auf der Nanoebene arbeiten: Materialien auf der atomaren Ebene zu schaffen ist Nanotechnologie. Die Veränderung von Molekülen ist auch die Nanotechnologie.

Im Nanobereich verhalten sich Materialien nicht entsprechend ihren Schüttguteigenschaften. Über die Eigenschaften von Materialien auf dieser Ebene ist nicht viel bekannt, weshalb so viel Forschung notwendig ist: Mit Hilfe der Nanotechnologie werden Nanomaterialien entwickelt, die in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden, von der Elektronik über die Strukturtechnik bis hin zur Medizin.

Die Anwendungen der Nanotechnologie in der Medizin reichen von sehr optimistisch bis hin zu Veränderungen in der Medizin. In der Medizin wird die Nanotechnologie in der Hoffnung erforscht, dass Nanobots, Roboter im Nanomaßstab, zur Reparatur von Zellschäden eingesetzt werden können.Nanotechnologie könnte eingesetzt werden, um die Lieferung von Medikamenten bei Krebspatienten mit Nanopartikeln gezielt zu fördern, wodurch der Einsatz von Chemotherapie gänzlich überflüssig wird.An der University of Central Florida wurde ein Nanopartikel entwickelt, der als Sensor für Cholera in der Wasserversorgung eingesetzt werden kann. Derzeit besteht die einzige Behandlung für Cholera darin, einen Patienten vorzugsweise intravenös zu rehydrieren.

Damit die Nanotechnologie vorankommt, müssen Wissenschaftler und Ingenieure aus verschiedenen Bereichen zusammenarbeiten, um neue Entdeckungen zu machen. Eine solche Überschneidung besteht in der Entwicklung des nanothermischen Transports. Da elektronische Geräte kleiner werden, nimmt die Wärmedichte von Geräten dramatisch zu. Um die Wärme aus den Geräten zu entfernen, werden Nanomaterialien wie z.B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen von Ingenieuren und Wissenschaftlern in Zusammenarbeit entwickelt.

Nanotechnologie ist ein Schlagwort in unserer Kultur, aber es ist viel mehr. Die Nanotechnologie beeinflusst seit Jahren die Technologie, die wir täglich einsetzen. Und es wird sich auch in den kommenden Jahren auf die Gegenstände auswirken, die wir verwenden. Von den Reifen an unseren Autos über das Handy in unserer Tasche, den Sonnenschutz, aus dem wir Haushaltswaren herstellen, bis hin zu den Materialien, aus denen sie hergestellt werden, wirkt die Nanotechnologie auf fast unbegrenzte Weise und ist überall um uns herum. Teile dieser Artikel wurden alle in irgendeiner Weise auf der Nanoskala entwickelt, um sie für unseren Gebrauch zu verbessern.

Die Nanotechnologie in Ihrem Sonnenschutz

Das Konsumgüter-Inventar listet über 1.600 Produkte auf, die vom Hersteller als nanopartikelhaltig identifiziert wurden – Partikel zwischen einem und 100 Nanometer (zwischen einem und 100 Milliardstel Metern). Werfen wir also einen Blick darauf, was sich in Ihren Haushaltsgegenständen befindet. Letzten Monat haben wir uns in dieser Serie über Nanotechnologie in Haushaltsgegenständen mit Kleidung beschäftigt. Diesen Monat: Sonnencreme.

Es gibt zwei Arten von Nanopartikeln, die bereits dem Sonnenschutz zugesetzt werden: Titandioxid (TiO2) und Zinkoxid (ZnO).

Warum diese verwenden?

Größere Partikel aus Zinkoxid und Titandioxid werden seit Jahrzehnten in Sonnenschutzmitteln verwendet, um krebserregendes ultraviolettes Licht zu reflektieren oder zu absorbieren. Der Grund, warum traditionelle Sonnenschutzmittel weiß aussehen, wenn man sie auf die Haut reibt, ist, dass Partikel dieser Größe sichtbares Licht reflektieren. Werden diese Sonnenschutzmittel jedoch zu Nanopartikeln – meist 25 bis 50 Nanometer breit – hergestellt, verhalten sie sich anders.

Nanopartikel aus Titandioxid und Zinkoxid behalten trotz Verklumpung beim Einmischen in Sonnenschutzmittel nicht nur ihre hocheffektive UV-Lichtabsorptionsfähigkeit, sondern absorbieren und streuen auch sichtbares Licht und machen es auf der Haut transparent. Und im Vergleich zu anderen UV-Filtern sind sie stabiler – erfordern weniger erneute Anwendung – und sind reizarm und allergenarm.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich ZnO und TiO2 im Nanobereich auf der Haut „leichter“ anfühlen“, sagt Megan Osmond-McLeod, Forscherin bei der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), und nicht schwer und kuchenartig.

Im Kampf gegen Hautkrebs sind Nanopartikel-Formulierungen also auf dem Vormarsch. Du bist wahrscheinlicher, dass du dich selbst darin versteckst, um deine Haut besser vor Sonnenschäden zu schützen.

Sind sie sicher?

Das Potenzial von Metalloxid-Nanopartikeln in Sonnenschutzmitteln, Schaden anzurichten, hängt in erster Linie von der Fähigkeit dieser Objekte ab, in die Haut einzudringen. Das aktuelle Gewicht der Beweise deutet darauf hin, dass solche Nanopartikel dies nicht tun. Es gibt eine vernachlässigbare Penetration von Sonnenschutz- Nanopartikeln, sagt Paul Wright, Toxikologie-Experte an der RMIT University. Sie kommen nicht an der äußersten toten Schicht der menschlichen Hautzellen vorbei, von denen jeden Tag Millionen verloren gehen.

Simon James, wissenschaftlicher Mitarbeiter am australischen Synchotron, zeigte kürzlich, dass Immunzellen Zinkoxid-Nanopartikel sammeln und abbauen. Unsere Studie zeigt, dass das menschliche Immunsystem das Recht hat, alle Nanopartikel zu entfernen, die es irgendwie durch die Haut schaffen – vorausgesetzt, einige tun es überhaupt, erklärt er. James ist sich bewusst, dass ihre Arbeit bisher nur Zellen im Labor und „rohe“ Nanopartikel betrachtet und nicht eine Sonnenschutzformel. Diese Fragen sind wichtig, wenn man das Gesamtbild betrachtet, sagt James. Mehr Arbeit ist nötig, bevor wir die Details verstehen, wie dieser Prozess im Körper abläuft, aber wir wissen zumindest jetzt, dass das Immunsystem die Fähigkeit hat, Zinkoxid-Nanopartikel abzubauen.

Osmond-McLeod und Forscher des CSIRO leisten ähnliche Arbeit und untersuchen biologische Reaktionen auf Metalloxide sowohl kurz- als auch langfristig. „Es ist immer wichtig, den entscheidenden Punkt hervorzuheben, dass wir die negativen Auswirkungen einer längeren Sonnenexposition ohne Schutz kennen, betont Osmond-McLeod. „Und das muss in das Argument einfließen.

Wright bekräftigt, dass Sonnenschutzmittel sicher zu verwenden sind, obwohl es sich lohnen würde, zu prüfen, ob es einen Unterschied in der Hautpenetration bei Personen mit Hautkrankheiten oder natürlich dünner Haut gibt. Dennoch, sagt er, ist die minimale Menge an Zink, die im Körper landen kann, immer noch ein vernachlässigbarer Bruchteil seines normalen Niveaus im Blut und Gewebe eines gesunden Menschen.

Nanopflaster

Nanotech: Heilung für tiefe Wunden

Heilkraft

Ein wesentliches medizinisches Verfahren – die Reparatur tiefer Wunden – könnte mit einem neuen Ansatz radikal verbessert werden: das Verkleben von Haut und anderem Gewebe mit Lösungen von Nanopartikeln.

Die von Wissenschaftlern in Paris (pdf) entwickelte Methode könnte viel weniger invasiv und schädlich sein als chirurgische Nähte oder Klammern und beinhaltet das Einbringen von Tropfen der Nanopartikellösung in einen tiefen Schnitt und das Zusammenpressen der beiden Wundflächen für weniger als eine Minute. Die Nanopartikel breiten sich aus und bilden Millionen von winzigen Brücken zwischen den Wundoberflächen, die sie miteinander verbinden.

Im Gegensatz zu bestehenden medizinischen Klebstoffen bilden die Nanopartikel keine zusätzliche, unerwünschte Schicht in der Wunde und das Verfahren funktioniert auch in Gegenwart von Flüssigkeiten wie Blut gut. Die Wissenschaftler haben Verletzungen bei Tieren mit Lösungen repariert, die sowohl Silica-Nanopartikel als auch Eisenoxid-Nanopartikel enthalten, die als Bonus einen nützlichen Kontrast für die medizinische Bildgebung bieten könnten.

Flicken

Die persönliche Gesundheitsfürsorge könnte durch die nächste Generation von leichten, elektronischen Monitoren revolutioniert werden, die ohne jegliche Beschwerden auf der Haut getragen werden können. Wissenschaftler in Südkorea und den USA haben einen Prototyp eines intelligenten Hautpflasters entwickelt, das so dünn und flexibel wie ein herkömmliches Pflaster ist und Bewegungsstörungen wie z.B. Zittern durch die Parkinson-Krankheit erkennen kann. Darüber hinaus kann es alle Daten, die es erfasst, in Gedächtniszellen speichern und sogar die Freisetzung von Medikamenten steuern, die über die Haut abgegeben werden.

Die Sensoren sind federnde Siliziumfilamente, die beim Biegen und Strecken den elektrischen Widerstand verändern. Diese Dehnungsmessungen, die verschiedene Arten von Bewegungen anzeigen, werden als binäre Informationen in den Oxidspeicherelementen gespeichert, die stabile niedrige („0“) und hohe („1“) Widerstandszustände aufweisen. Zur Herstellung des Pflasters werden aus Nanomembranen – dünnen Schichten aus hochwertigem kristallinem Material – die Bewegungssensoren und Speicherelemente hergestellt, die dann auf ein weiches, dehnbares Material gedruckt werden.

Auf der klebrigen Seite, die auf der Haut aufliegt, enthält das Pflaster Silica-Nanopartikel, die mit Medikamenten gefüllt sind. Die Medikamente können bei Bedarf durch Heizelemente auf der Oberseite des Pflasters freigesetzt werden.

Der Smart Patch ist ein Prototyp, zeigt aber, dass in Zukunft mehrere nützliche Funktionen in tragbaren Medizinprodukten kombiniert werden können.

Zeit zum Umschalten

Radiofrequenz-Tags haben eine weit verbreitete Anwendung gefunden, z.B. in Chips für Läufer, um ihre Rennzeit genau zu bestimmen oder um wertvolle Bücher zu verfolgen. Eine weitere Leistungssteigerung von elektronischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen, die in flexible und tragbare Materialien integriert werden können, könnte viele weitere nützliche Anwendungen eröffnen, wie beispielsweise in mobilen Wi-Fi-Geräten und der Langstrecken-Hochfrequenzidentifikation.

Germanium, ein enger Vetter von Silizium, leitet Ladungen schneller und kann mit niedrigeren Spannungen gesteuert werden, was für Hochfrequenzanwendungen vielversprechend sein könnte. Forscher in China und den USA haben elektronische Schaltungen aus Germanium-Nanomembranen auf Kunststoffsubstraten hergestellt und gezeigt, dass ihre Hochfrequenzschalter besser funktionieren als bestehende flexible Bauelemente aus Silizium.

Eine mögliche Anwendung für flexible Hochfrequenzgeräte ist die drahtlose Steuerung von intelligenten Gesundheitsgeräten wie dem im vorherigen Punkt beschriebenen Hautpflaster.

Nanoröhrenkraftstoff

Moleküle, die zwischen zwei stabilen Konfigurationen wechseln können, wenn sie Licht absorbieren, und die Energie freisetzen, wenn sie zurückschalten, könnten als solarthermischer Brennstoff verwendet werden. Ein bekannter Nachteil der Solarenergie ist, dass die Sonne nicht immer scheint, so dass eine zuverlässige Speicherung der Energie für die spätere Nutzung unerlässlich ist. Dies könnte mit lichtschaltenden Molekülen geschehen, aber die Herausforderung besteht darin, dies effizient zu tun.

Wissenschaftler am MIT haben einen Weg gefunden, eine große Anzahl lichtschaltender Moleküle auf kleinstem Raum zu packen, indem sie sie an Kohlenstoff-Nanoröhrchen – aufgerollte Kohlenstoffplatten – befestigen. Die Nanoröhrchen passen sehr eng zusammen, wobei die lichtschaltenden Moleküle aus den Wänden der Nanoröhrchen herausragen und sich wie Zähne im Reißverschluss ordentlich verriegeln.

Gedruckte Leiterbahnen

Leiterbahnen

Leiterbahnen gedruckt

Sowohl starre als auch flexible Leiterbahnen (PCBs) dienen der Verbindung von elektronischen Komponenten in verschiedenen Verbraucher- und Nicht-Verbrauchergeräten. Wie die Namen schon andeuten, ist eine starre Leiterplatte eine Leiterplatte, die auf einer starren Basisschicht aufgebaut ist, die sich nicht biegen kann, während eine flexible Leiterplatte, auch Flex-Schaltung genannt, auf einer flexiblen Basis aufgebaut ist, die sich biegen, drehen und falten kann.

Obwohl traditionelle und flexible Leiterbahnen beide den gleichen grundlegenden Zweck erfüllen, ist es wichtig zu beachten, dass sie viele Unterschiede aufweisen. Flexible Schaltungen sind mehr als nur Leiterplatten, die sich biegen – sie werden anders hergestellt als starre Leiterplatten und bieten verschiedene Vor- und Nachteile. Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften von starren Leiterplatten im Vergleich zu flexiblen Leiterplatten.

Inwiefern unterscheiden sich starre Leiterbahnen und flexible Schaltungen?

Eine starre Leiterplatte, meist einfach als Leiterplatte bekannt, ist das, woran die meisten Menschen denken, wenn sie sich eine Leiterplatte vorstellen. Diese Platinen verbinden elektrische Komponenten über Leiterbahnen und andere Elemente, die auf einem nichtleitenden Substrat angeordnet sind. In einer starren Leiterplatte enthält das nichtleitende Substrat in der Regel Glas, das die Platte verstärkt und ihr Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Eine starre Leiterplatte bietet eine hervorragende Unterstützung für Komponenten und eine gute thermische Beständigkeit.

Obwohl eine flexible Leiterbahnen auch Leiterbahnen auf einem nichtleitenden Substrat aufweist, verwendet diese Art von Leiterplatte ein flexibles Basismaterial wie Polyimid. Die flexible Basis ermöglicht es flexiblen Schaltungen, Vibrationen zu widerstehen, Wärme abzuleiten und in verschiedene Formen zu falten. Aufgrund ihrer strukturellen Gegebenheiten werden Flex-Schaltungen zunehmend in der kompakten und innovativen Elektronik eingesetzt.

Neben Basismaterial und Steifigkeit sind die Unterschiede zwischen Leiterplatten und Flexschaltungen bemerkenswert:

  • Leitfähiges Material: Da Flex-Schaltungen biegen müssen, können Hersteller flexibler gewalztes geglühtes Kupfer anstelle von galvanisch abgeschiedenem Kupfer als leitfähiges Material verwenden.
  • Herstellungsprozess: Anstatt eine Lötstoppmaske zu verwenden, verwenden flexible Leiterplattenhersteller ein Verfahren namens Overlay oder Coverlay, um die freiliegenden Schaltkreise einer flexiblen Leiterplatte zu schützen.
  • Typische Kosten: Flex-Schaltungen kosten in der Regel mehr als starre Leiterplatten. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich in kompakte Räume einzufügen, ermöglichen Flex-Schaltungen den Ingenieuren jedoch, die Größe ihrer Produkte zu verringern, was zu indirekten Einsparungen führt.

Wie man zwischen einer starren und einer flexiblen Leiterbahnen wählt

Starre und flexible Leiterplatten finden in vielen verschiedenen Produkten Verwendung, obwohl einige Anwendungen von einer Art von Leiterplatte mehr profitieren können. So sind beispielsweise starre Leiterplatten in größeren Produkten wie Fernsehern und Desktop-Computern sinnvoll, während für kompaktere Produkte wie Smartphones und Wearable-Technologie flexible Schaltungen erforderlich sind.

Wenn Sie sich zwischen einer starren Leiterplatte und einer flexiblen Leiterplatte entscheiden, berücksichtigen Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung, den bevorzugten Leiterplattentyp Ihrer Branche und die Auswirkungen der Verwendung des einen oder anderen Typs auf die Gewinne.

Elektronisches Papier

Biegbares elektronisches Papier

Das Papier ist weniger als ein Mikrometer dünn und bietet alle Farben einer Standard-LED-Anzeige und benötigt gleichzeitig zehnmal weniger Energie als ein Tablet-PC.

Die Kombination von leitfähigen Polymeren auf Nanostrukturen wurde so gut geeignet demonstriert, um elektronische Displays so dünn wie Papier herzustellen. Das „Papier“ ist ähnlich wie das Kindle Tablet. Es leuchtet nicht wie ein Standard-Display, sondern reflektiert das externe Licht, das es beleuchtet; daher funktioniert es sehr gut, wenn es helles Licht wie Sonnenlicht gibt, im Gegensatz zu Standard-LED-Displays, die am besten bei Dunkelheit funktionieren. Gleichzeitig verbraucht es nur ein Zehntel der Energie, die ein Kindle Tablet verbraucht, das selbst viel weniger Energie verbraucht als eine Tablet LED-Anzeige.

Doppelte Dotierung könnte die Effizienz der Lichternte von flexiblen organischen Solarzellen (links), die Schaltgeschwindigkeit von Elektronikpapier (Mitte) und die Leistungsdichte von piezoelektrischen Textilien (rechts) verbessern. Die Solarzelle wurde von Epishine AB geliefert. (Foto von Johan Bodell/Chalmers University of Technology)
Die Technologie hängt von der Fähigkeit der Polymere ab, die Absorption und Reflexion von Licht zu steuern. Die Polymere, die die gesamte Oberfläche bedecken, leiten die elektrischen Signale durch das gesamte Display und erzeugen Bilder in hoher Auflösung.

Die Pixel verwenden die gleichen roten, grünen und blauen (RGB) Farben, die zusammen alle Farben in Standard-LED-Anzeigen erzeugen. Derzeit werden Pixel erstellt, die einen Bereich so groß wie ein Display abdecken. Ein Hindernis ist, dass sich Gold und Silber im Display befinden, was die Herstellung teuer macht.

Die Goldoberfläche ist 20 Nanometer dick, so dass nicht viel Gold drin ist; es wird jedoch viel Gold bei der Herstellung verschwendet. Entweder muss die Abfallmenge reduziert werden oder es muss eine alternative Methode gefunden werden, um die Herstellungskosten zu senken.

Anwendungen für die Displays sind gut beleuchtete Orte wie im Freien oder an öffentlichen Plätzen zur Darstellung von Informationen. Dies könnte den Energieverbrauch reduzieren und gleichzeitig Schilder und Informationsbildschirme, die heute noch nicht elektronisch sind, durch flexiblere ersetzen.

Nano Tech Flip Flops

Nano Flip Flop

Flexible Generatoren verwandeln Bewegung in Energie

Der Postdoc-Forscher der Rice University, Michael Stanford, hält einen Flip-Flop mit einem triboelektrischen Nanogenerator, der auf laserinduziertem Graphen basiert und an der Ferse befestigt ist. Das Gehen mit dem Flip-Flop erzeugt Strom mit wiederholtem Kontakt zwischen dem Generator und der Haut des Trägers. Stanford verdrahtete das Gerät, um Energie auf einem Kondensator zu speichern.
Tragbare Geräte, die Energie aus Bewegung gewinnen, sind keine neue Idee, aber ein an der Rice University entwickeltes Material kann sie praktischer machen.

Das Reislabor des Chemikers James Tour hat laserinduziertes Graphen (LIG) in kleine, metallfreie Geräte zur Stromerzeugung umgewandelt. Wie das Reiben eines Ballons auf Haaren, erzeugt das Kontaktieren von LIG-Verbundwerkstoffen mit anderen Oberflächen statische Elektrizität, die zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden kann. Dies resultiert aus dem triboelektrischen Effekt, durch den Materialien durch Kontakt eine Ladung sammeln. Wenn sie zusammengesetzt und dann auseinandergezogen werden, bilden sich Oberflächenladungen, die in Richtung Stromerzeugung geleitet werden können.

In Experimenten verbanden die Forscher einen gefalteten Streifen LIG mit einer Reihe von Leuchtdioden und fanden heraus, dass das Anzapfen des Streifens genügend Energie produzierte, um sie zum Blinken zu bringen. Ein größeres Stück LIG, das in einen Flip-Flop eingebettet ist, lässt den Träger bei jedem Schritt Energie erzeugen, da der wiederholte Kontakt des Graphenverbunds mit der Haut genügend Strom erzeugt, um einen kleinen Kondensator zu laden.

„Dies könnte eine Möglichkeit sein, kleine Geräte aufzuladen, indem man einfach die überschüssige Energie von Fersenschlägen beim Gehen oder Schwenkarmbewegungen gegen den Oberkörper nutzt“, sagte Tour.

LIG ist ein Graphenschaum, der entsteht, wenn Chemikalien mit einem Laser auf der Oberfläche eines Polymers oder eines anderen Materials erhitzt werden, wobei nur miteinander verbundene Flocken aus zweidimensionalen Kohlenstoff übrig bleiben. Das Labor stellte LIG zunächst auf herkömmlichem Polyimid her, erweiterte die Technik aber auf Pflanzen, Lebensmittel, behandeltes Papier und Holz.

Sie verwandelten Polyimid, Kork und andere Materialien in LIG-Elektroden, um zu sehen, wie gut sie Energie produzierten und dem Verschleiß standhielten. Die besten Ergebnisse erzielten sie mit Materialien an den gegenüberliegenden Enden der triboelektrischen Reihe – was ihre Fähigkeit zur Erzeugung statischer Aufladung durch Kontaktelektrifizierung quantifiziert.

In der Falzkonfiguration wurde LIG aus dem tribo-negativen Polyimid mit einer Schutzschicht aus Polyurethan besprüht, die gleichzeitig als tribo-positives Material diente. Beim Zusammenführen der Elektroden wurden Elektronen aus dem Polyurethan auf das Polyimid übertragen. Nachfolgende Kontakte und Trennungen führten zu Ladungen, die über eine externe Schaltung gespeichert werden konnten, um die aufgebaute statische Ladung wieder auszugleichen.

Das Falt-LIG erzeugte etwa 1 Kilovolt und blieb nach 5.000 Biegezyklen stabil.

Die beste Konfiguration, mit Elektroden aus dem Polyimid-LIG-Verbund und Aluminium, erzeugte Spannungen über 3,5 Kilovolt mit einer Spitzenleistung von mehr als 8 Milliwatt. Der in einen Flip-Flop eingebettete Nanogenerator konnte nach einem 1-Kilometer-Lauf 0,22 Millijoule elektrische Energie auf einem Kondensator speichern.