با نگاهی به صفحه ای از گذشته ، دانشمندان و مهندسان آزمایشگاه ملی لارنس لیورور در تلاشند تا محاسبات مکانیکی را با چاپ 3 بعدی به عنوان بخشی از تلاش برای ایجاد مواد "حساس" که می توانند به تغییرات در محیط اطراف خود پاسخ دهند ، حتی در محیطهای شدید که از بین می روند. اجزای الکترونیکی مانند تابش زیاد ، گرما یا فشار.

رایانه های اصلی مانند موتور تفاوت چارلز بابیج کاملاً مکانیکی بودند ، پر از دنده ها و اهرم هایی که برای حل محاسبات ریاضی پیچیده ، جابجایی و جابجایی شده بودند. پس از جنگ جهانی دوم و ظهور لوله های خلاء و مدارهای الکترونیکی ، رایانه های مکانیکی اکثراً به روش دودو پیش رفتند.

با این حال ، با قرار دادن پیچ و تاب جدیدی بر فناوری قدیمی ، محققان و همکاران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) از دانشگاه کالیفرنیا ، لس آنجلس (UCLA) ، دروازه های منطق مکانیکی چاپ سه بعدی هستند - بلوک های اساسی ساخت رایانه ها که قادر به انجام هستند. هر نوع محاسبات ریاضی

محققان گفتند ، مانند LEGO ها ، از این دروازه های منطقی با چاپ 3 بعدی برای ساختن هر چیزی استفاده می شود ، محققان گفتند كه در هر نوع ماده معماری جاسازی شده اند و برنامه ریزی شده اند تا با تغییر فیزیكی و بدون نیاز به برق ، در محیط خود به محیط خود واکنش نشان دهند - در مناطق مفید هستند. تابش زیاد ، گرما یا فشار. این تحقیق امروز توسط مجله Nature Communications به صورت آنلاین منتشر شد .

اندی پاسکال ، محقق اصلی گفت: "برخی از کاربردهای الکتریکی محدود هستند ، در حالی که با این سیستم ، مواد می توانند کاملاً خود را مجدداً تنظیم کنند." وی افزود: "اگر دروازه های منطق را درون ماده قرار داده اید ، آن ماده می تواند چیزی راجع به محیط آن حس کند. این یک روش برای داشتن مواد پاسخگو است ؛ ما دوست داریم آن را یک ماده" حساس "بنامیم - که می تواند پاسخهای پیچیده ای به دما ، فشار و غیره داشته باشد. ایده این است که فراتر از هوشمند بودن است. این امر به صورت کنترل شده و دقیق پاسخ می دهد. "

محققان گفتند ، دروازه های منطق مکانیکی با وجود رایانه های معمولی قدرتمند نیستند ، اما می توانند در روترهایی که به محیطهای خصمانه مانند ونوس فرستاده می شوند ، یا در رایانه های کم مصرف برای زنده ماندن از انفجارهای پالس هسته ای یا الکترومغناطیسی که دستگاه های الکترونیکی را از بین می برد ، مفید واقع شوند. در یک مریخ نورد ونسی ، پاسكال گفت كه دانشمندان می توانند یك سیستم كنترل را اجرا كنند ، بنابراین اگر مریخ نورد بیش از حد داغ شود ، این مواد می توانند منافذ خود را باز كنند تا در خنك كننده تر ، بدون نیاز به برق ، خنك كنند.

این دستگاه همچنین می تواند در روبات های ارسال شده برای جمع آوری اطلاعات در مورد راکتورهای هسته ای (به عنوان مثال ، فوکوشیما) استفاده شود یا در حالی که مانند هر نوع ماده ظاهر می شود ، تقریباً می تواند در داخل هر نوع ساختار قابل تصور پنهان شود.

پاسکال گفت: "نکته جالب در طراحی ما این است که در مقیاس محدود نیست." "ما می توانیم به ترتیب چندین میکرون به اندازه مورد نیاز خود پایین برویم ، و می توان آن را به سرعت نمونه سازی کرد. بدون چاپ 3 بعدی می توان این کار دشواری بود."

مجموعه ای از دروازه های منطق مکانیکی با استفاده از روش Microstereolithography (LAPµSL) با طرح بزرگ منطقه چاپ می شوند. اعتبار: آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور
رابرت پاناس ، مهندس تحقیق LLNL ، محقق سابق LLNL فوق دکترا ، جاناتان هاپکینز ، که هم اکنون استادیار مهندسی هوافضا و مهندسی مکانیک در UCLA است ، و دانشجو تابستانی آدام سونگ دروازه های خمشی دستگاه را طراحی کرد که به سیستم اجازه می دهد تا خم شود و حرکت کند.

پاناس ، محقق اصلی پروژه ، گفت که انعطاف پذیری مانند سوئیچ ها رفتار می کند. انعطاف پذیری ها به هم زنجیر می شوند و هنگامی که تحریک می شوند ، آبشارهایی از پیکربندی ها را ایجاد می کنند که می توانند برای انجام محاسبات منطق مکانیکی بدون قدرت خارجی استفاده شوند. دروازه ها به دلیل جابجایی کار می کنند ، سیگنال باینری خارجی را از مبدل مانند پالس فشار یا پالس نور از کابل فیبر نوری دریافت می کنند و یک محاسبه منطقی را انجام می دهند. نتیجه به حرکتی ترجمه می شود و یک اثر دومینو را در تمام دروازه هایی ایجاد می کند که از نظر جسمی شکل دستگاه را تغییر می دهد.

پاناس گفت: "بسیاری از طرح های منطق مکانیکی محدودیت های اساسی دارند و شما به طرح های خیالی می پردازید که امکان ساخت آنها وجود ندارد." "آنچه ما انجام می دهیم استفاده از این انعطاف ها است ، این عناصر انعطاف پذیر که به صورت 3 بعدی چاپ می شوند ، که تغییر می دهد چگونه ساختار منطق می تواند با هم حرکت کند. ما در نهایت فهمیدیم که به یک تنظیم منطق جابجایی (برای انتقال اطلاعات) نیاز داریم." کار کرد

پاناس گفت ، عملكرد خمشی فلكس ها باعث می شود كه ساختار از پیش برنامه ریزی شود یا اطلاعاتی را بدون نیاز به جریان انرژی كمك ذخیره كند ، و آنها را برای محیط هایی با تابش زیاد ، دما یا فشار مناسب می سازد. پاناس گفت دروازه های منطقی می توانند برای جمع آوری میزان قرائت دما در واکسن ها یا مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرند و از زمان رسیدن آستانه های معین آگاه شوند یا در داخل پل ها برای جمع آوری داده ها در مورد بارگذاری ساختاری ، به عنوان مثال.

پاناس گفت: "ما این مسئله را به عنوان منطقی ساده در مواد با حجم بالا قرار می دهیم ، و به طور بالقوه در مکانهایی که به طور عادی نمی توانید داده ها را بخوانید ، خوانده می شوید."

در UCLA ، هاپکینز از یک فرآیند چاپ 3 بعدی به نام استریولیتوگرافی دو فوتونی استفاده کرد ، جایی که لیزر در داخل یک پلیمر مایع قابل فتوکوری که در آن می درخشد و سخت می شود ، در جایی که لیزر می درخشد ، اسکن می کند تا مجموعه ای از دروازه ها را در سطح زیر میکرون چاپ کند.

هاپکینز توضیح داد: "پس از چاپ این سازه ، ما با استفاده از لیزرهای مختلف که به عنوان موچین نوری عمل می کنند ، آن را در جای خود تغییر شکل دادیم." "ما سپس سوئیچ ها را با استفاده از آن موچین نوری نیز فعال کردیم. این یک روش جدید انقلابی برای ساخت این مواد در مقیاس میکرو است."

این طرح با مدل سازی محاسباتی از رفتار سگک گیتس رانده شده است ، و اگرچه آنها در دو بعد طراحی شده اند ، پاسکال گفت که دوست دارد به 3 بعدی منتقل شود. پاسكال امیدوار است كه از این فناوری برای طراحی سیستمهای كنترل شخصی و شخصی استفاده شود و گفت كه برنامه ها برای انتشار این طرح به عنوان منبع باز است. وی افزود: این فناوری همچنین می تواند ابزاری برای دانشجویان باشد که می توانند با استفاده از چاپگرهای 3 بعدی تجاری ، دروازه های منطق خود را چاپ کنند و در مورد نحوه کار رایانه ها بیاموزند.

جدیدترین باتری های لیتیوم یونی موجود در بازار احتمالاً عمر شارژ تلفن ها و اتومبیل های برقی را تا 40 درصد افزایش می دهد. این جهش رو به جلو ، که پس از بیش از یک دهه از پیشرفت های افزایشی حاصل می شود ، اتفاق می افتد زیرا توسعه دهندگان جایگزین آند گرافیتی باتری با یک ساخته شده از سیلیکون می شوند. تحقیقات دانشگاه Drexel و کالج ترینیتی در ایرلند نشان می دهد که اگر سیلیکون با نوع خاصی از مواد به نام MXene تقویت شود ، می تواند پیشرفت بیشتری داشته باشد.

این گروه می تواند عمر باتری های لیتیوم یون را به اندازه پنج برابر افزایش دهد ، گروهی که اخیراً در ارتباطات Nature گزارش داده اند . به دلیل توانایی ماده MXene دو بعدی در جلوگیری از آند سیلیکون امکان پذیر است از گسترش به نقطه شکست آن در هنگام شارژ شدن است - مشکلی که از مدتی استفاده آن جلوگیری می کند.

یوری گوگوتسی ، دکتری ، دانشگاه برجسته و استاد باخ در کالج مهندسی درکسل و مدیر AJ گفت: "پیش بینی می شود که آندهای سیلیکون جایگزین آندهای گرافیتی در باتری های لیتیوم یون با تأثیر بسیار زیادی بر میزان انرژی ذخیره شده شوند." مؤسسه درکسل نانومواد در گروه علوم و مهندسی مواد که همکار این تحقیق بود. "ما دریافته ایم که افزودن مواد MXene به آندهای سیلیکون می تواند آنها را به اندازه کافی تثبیت کند تا در باتری ها از آنها استفاده شود."

در باتری ها ، شارژ در الکترودها - کاتد و آند - نگه داشته می شود و در حالی که یون ها از آند به کاتد عبور می کنند ، به دستگاه های ما تحویل داده می شوند. یونها هنگام شارژ مجدد باتری به آند باز می گردند. با پیدا کردن راه هایی برای بهبود توانایی الکترود در ارسال و دریافت یون های بیشتر ، عمر باتری به طور پیوسته افزایش یافته است. جایگزینی سیلیکون برای گرافیت به عنوان ماده اولیه در آند Li-ion ظرفیت جذب آن در یون ها را بهبود می بخشد زیرا هر اتم سیلیکون می تواند تا چهار یون لیتیوم را بپذیرد ، در حالی که در آندهای گرافیتی ، شش اتم کربن فقط در یک لیتیوم مصرف می کنند. اما با شارژ بیشتر ، سیلیکون - تا حدود 300 درصد - گسترش می یابد که می تواند باعث خراب شدن آن و خرابی باتری شود.

آند MXene-silicon را می توان از طریق ریخته گری دوغاب ایجاد کرد ، به این معنی که می توان آن را به راحتی برای تولید انبوه آندها در هر اندازه اندازه گیری کرد. اعتبار: کالج ترینیتی
بیشتر راه حل ها برای این مشکل شامل اضافه کردن مواد کربن و چسب های پلیمری برای ایجاد چارچوبی برای مهار سیلیکون است. طبق گفته گوگوتي روند انجام آن پيچيده است و كربن كمتر در شارژ نگهداري توسط باتر كمك مي كند.

در مقابل ، روش گروه Drexel و Trinity پودر سیلیکون را در محلول MXene مخلوط می کند تا یک آند ترکیبی سیلیکون-MXene ایجاد شود. نانوذرات MXene بطور تصادفی توزیع می شوند و در حین پیچیدن ذرات سیلیکون ، شبکه مداوم را تشکیل می دهند ، بنابراین به عنوان یک ماده افزودنی و چسبنده همزمان در همان زمان عمل می کنند. این فریم ورک MXene است که به محض رسیدن به آنها یونی سفارش می دهد و مانع از گسترش آند می شود.

گوگسی گفت: "MXenes کلید کمک به سیلیکون برای دستیابی به پتانسیل خود در باتری ها است." "از آنجا که MXenes مواد دو بعدی هستند ، فضای بیشتری برای یونها در آند وجود دارد و آنها می توانند با سرعت بیشتری به داخل آن حرکت کنند - بنابراین ظرفیت و هدایت الکترود را بهبود می بخشد. آنها همچنین از مقاومت مکانیکی بسیار خوبی برخوردار هستند ، بنابراین سیلیکون-MXene آند می شود. همچنین تا 450 میکرون ضخامت کاملاً بادوام هستند. "

فرآیند ریخته گری دوغاب به ورق های MXene اجازه می دهد تا شبکه ای در اطراف ذرات سیلیکونی تشکیل دهند که امکان پذیرش منظم یون های لیتیوم را فراهم می کند ، بنابراین مانع از گسترش و شکست آند می شود. اعتبار: کالج ترینیتی
MXenes ، که برای اولین بار در سال Drexel در سال 2011 کشف شد ، با استفاده از روش شیمیایی اچ کردن یک ماده سرامیکی لایه ای به نام فاز MAX ساخته می شود ، برای جدا کردن مجموعه ای از لایه های مربوط به شیمیایی ، ترک پشته ای از تکه های دو بعدی. محققان تا به امروز بیش از 30 نوع MXene تولید کرده اند که هر کدام مجموعه ای از خواص کمی متفاوت دارند. این گروه دو مورد از آنها را برای ساختن آندهای سیلیکون-MXene برای کاغذ انتخاب کردند: کاربید تیتانیوم و کربنیتیدید تیتانیوم. آنها همچنین آندهای باتری ساخته شده از نانوذرات سیلیکونی پیچیده شده با گرافن را آزمایش کردند.

هر سه نمونه آند ظرفیت لیتیوم-یون بالاتر از آند گرافیت یا سیلیکون-کربن مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون و هدایت برتر را نشان دادند - به سفارش 100 تا 1000 برابر بیشتر از آندهای سیلیکون معمولی ، وقتی MXene اضافه می شود.

آنها می نویسند: "شبکه پیوسته از نانوذرات MXene نه تنها هدایت الکتریکی کافی و فضای آزاد را برای جبران تغییر حجم فراهم می کند بلکه بی ثباتی مکانیکی Si را نیز برطرف می کند." بنابراین ، ترکیبی از جوهر MXene چسبناک و ظرفیت بالا Si نشان داده شده در اینجا یک تکنیک قدرتمند برای ساخت نانوساختارهای پیشرفته با عملکرد استثنایی ارائه می دهد. "