Разработка новых функциональных материалов для биосовместимой органической электроники и робототехники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-73-30028

НазваниеРазработка новых функциональных материалов для биосовместимой органической электроники и робототехники

Руководитель Пономаренко Сергей Анатольевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им.Н.С.Ениколопова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №33 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными 2019_33

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые слова функциональные полимерные материалы, искусственная мышца, искусственная кожа, электронный нос, электронный язык, электронный глаз, прикладная робототехника, интерфейс человек-машина, протезирование, органический полевой транзистор

Код ГРНТИ31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной целью проекта является разработка и создание высокоэффективных функциональных материалов для развития одной из наиболее перспективных отраслей будущего – мягкой робототехники, и близких к ней областей – гибкой, растяжимой и биосовместимой органической электроники. Актуальность решения данной проблемы связана с бурным развитием органической электроники, обусловленной появлением новых все более эффективных функциональных органических и полимерных материалов, с одной стороны, и робототехники, все больше входящую в нашу жизнь, с другой. Сочетание мягкой робототехники с биосовместимой органической электроникой позволит не только приблизиться к созданию человекоподобных роботов, но и поможет решению многих проблем людей с ограниченными возможностями путем создания нового поколения протезов, искусственных рецепторов и органов чувств. Ключевой особенностью проекта является междисциплинарный и комплексный характер планируемых исследований: от дизайна и синтеза новых органических и полимерных материалов с заданными свойствами к их тестированию и применению в конкретных устройствах биосовместимой органической электроники и элементах робототехники. Проект носит поисковый характер – в процессе работы будут синтезированы и исследованы новые функциональные олигомерные и полимерные материалы для различных элементов и устройств мягкой робототехники: искусственные мышцы и кожа, электронный нос, язык и глаз. При этом большинство из них основано на элементарных устройствах органической электроники – различных органических транзисторах и фотоэлементах. Для всех этих разнообразных применений требуются гибкие и растяжимые полимерные материалы, органические проводники и полупроводники с уникальными свойствами, в разработке которых сотрудники Лаборатории функциональных материалов для органической электроники и фотоники ИСПМ РАН и привлекаемые для работы по проекту специалисты из смежных областей имеют многолетний успешный опыт работы. Научная новизна проекта заключается как в разработке новых материалов, так и в применении ранее разработанных в лаборатории материалов и устройств в новом качестве – искусственной кожи, электронного носа или глаза. Обратная связь от устройств к материалам поможет постоянно улучшать свойства разрабатываемых в проекте материалов на последующих этапах работы. Работа по Проекту будет проводиться параллельно по пяти основным направлениям: 1) разработка новых полимерных материалов для искусственных мышц (актюаторов). Из множества различных вариантов искусственных мышц (пневматические искусственные мышцы, известные также как актюаторы МакКиббена, гидравлические эластомерные актюаторы, на основе электроактивных полимеров, изотермического фазового перехода и др.) будут выбраны наиболее перспективные и созданы для них новые материалы с учетом современных достижений полимерной химии. На момент подачи заявки наиболее перспективными представляются два подхода, основанных на функциональных полимерных материалах и приводящих к деформации, сопоставимой или превышающей деформацию естественных мышц. Первый из них представляет собой актюаторы на основе диэлектрических эластомеров, преимуществом которых является использование низких токов для актюации и достаточно высокая эффективность, сопоставимая с эффективностью естественных мышц. Второй подход основан на «гибких актюаторах», основанных на экстремальном изменении объема жидкости при переходе жидкость–пар, капсулированной в виде микропузырьков в кремнийорганическом эластомере. Преимуществами второго подхода являются рекордно высокая деформация и низкое напряжение питания нагревающих элементов, используемых для управления искусственными мышцами. На начальных этапах проекта будут разработаны новые органические и/или кремнийорганические эластомеры для таких актюаторов, которые будут в дальнейшем усовершенствованы и использованы при необходимости для других подходов. При этом, помимо чисто химической задачи получения материала с заданными свойствами, предстоит решить и изобретательскую задачу о том, как из этого полимерного актюатора создать функционирующее устройство. 2) создание искусственной кожи (сверхгибкой, самозалечивающейся, с датчиками температуры и давления) Под искусственной (синтетической или электронной) кожей в робототехнике обычно понимают гибкий материал, обладающий способностью к самовосстановлению, и содержащий массив сенсоров – как правило, давления и температуры. Одним из подходов к созданию гибких сенсоров давления и температуры является применение органических полевых транзисторов (ОПТ), которые преобразуют изменения давления или температуры в изменения электрического сигнала. Возможности органической электроники создавать гибкие, легкие и недорогие ОПТ на полимерных подложках делает такой подход очень перспективным. В проекте будут разработаны новые органические и полимерные полупроводники с высокой подвижностью носителей зарядов для органических транзисторов, используемых в качестве датчиков давления и температуры в электронной коже. Кроме этого, будут разработаны новые сверхгибкие и самозалечивающиеся органические и/или кремнийорганические эластомеры. В проекте будут разработаны материалы для гибких органических сенсоров, которые, могут быть как частью электронной кожи, так и самостоятельными элементами мягкой робототехники. 3) Электронный нос (газовые сенсоры). В последние годы набирает популярность подход к созданию электронного носа на основе органических полевых транзисторов. В таких сенсорах вместо резистивного принципа используется регистрация полевого эффекта – сорбция газов на активный слой транзисторов меняет распределение поля в канале и позволяет регистрировать значительно более низкие концентрации. Печатные методы изготовления ОПТ позволяют создавать массивы сенсоров на гибких полимерных подложках. Использование органических материалов позволяет гибко менять свойства функциональных слоев на этапах синтеза веществ, что обеспечивает селективность сенсоров на их основе. Развитие данного подхода требует создания как новых органических полупроводников, способных образовывать сверхтонкие пленки с высокими подвижностями носителей заряда, так и новых рецепторных молекул. 4) Электронный язык (биосенсоры) Одним из наиболее научно- и промышленно-перспективных приложений органической (био)электроники является применение в качестве сенсоров, поскольку локальная концентрация конкретных (био)химических соединений может быть быстро и количественно преобразована в электронные сигналы. Помимо подражания основным сенсорным функциям кожи человека, то есть реакции на механические и термические раздражители, разработка новых биосенсоров на гибких подложках позволит интегрировать новые инструменты мониторинга для обнаружения аналитов как во внешних жидкостях, контактирующих с искусственной кожей, так и в составе биожидкостей (например, поте) человека, носящего устройство, например, датчики pH, стресса, мышечной усталости. Для достижения поставленных целей требуется разработка, производство и характеризация новых (полупроводящих) полимерных материалов, модифицированных для реализации подходов к биологическому распознаванию элементов (таких как ферменты, антитела, аптамеры) за счет их связывания путем клик-химии, или наделенных «присадками» для усиления теплового и механического отклика. 5) Электронный глаз. Концепция электронного глаза подразумевает использование в качестве фоторецептора органических фотоэлементов на основе органических полупроводниковых молекул. При этом возможно как создание искусственного глаза (матрицы органических фотоэлементов с разной спектральной чувствительностью), так и создание фотоактивных «протезов» для глаза, лишенного чувствительности к свету из-за тех или иных заболеваний. В последнем случае представляется перспективной разработка новых донорно-акцепторных органических полупроводников с низкой энергией диссоциации экситонов, способных образовывать растворимые в воде колончатые наноструктуры, выполняющие функции колбочек и палочек, являющихся чувствительными элементами естественного глаза. Для демонстрации и интеграции разработанных в проекте материалов для искусственных мышц, кожи и сенсоров в проекте предполагается создание искусственной руки, для чего в качестве соисполнителя проекта будет привлечен Центр инженерной физики МГУ имени М.В. Ломоносова, имеющий большой опыт в решении подобного рода задач. При разработке механизированной роборуки на основе синтетических полимерных мышц и синтетической сенсорной кожи планируется использовать итерационный подход, когда каждый год постоянно улучшающиеся компоненты системы интегрируются в роборуку, проходят интеграционное тестирование и формируют список корректировок для следующей итерации. Поскольку полимерные мышцы и кожа по ходу проекта будут улучшать свои характеристики, то электронная схема будут подстраиваться, изменяя точность, частоту опроса, характеристики напряжения и силы тока для управления. Механическая часть тоже может меняться под требуемые размеры остальных компонентов и их силовые характеристики. Поскольку движения реальной руки являются достаточно сложными, в проекте планируется провести обучение нейронной сети для управления виртуальной роборукой, а затем обученную машину подключить к изготовленной роборуке для выполнения выученных действий. Таким образом, предлагаемый проект сочетает в себе разработку новых высокоэффективных материалов для перспективных технологий будущего – робототехники и биосовместимой органической электроники, с тестированием этих материалов в конкретных устройствах и созданием новых устройств на их основе. Он будет способствовать решению нескольких направлений из стратегии НТР Российской Федерации – переходу к роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, машинного обучения и искусственного интеллекта (Н1) и переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения (Н3).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чанг Ч.Ю., Солодухин А.С., Лиао Ш.Ю., Махеш К.П.О., Хсу Ч.Л., Пономаренко С.А., Лупоносов Ю.Н., Чао Ю.Ч. Perovskite white light-emitting diodes based on a molecular blend perovskite emissive layer Journal of Materials Chemistry C, том 7, выпуск 28, стр. 8634-8642 (год публикации - 2019)
10.1039/c9tc01509d

2. Тарасенков А.Н., Тебенева Н.А., Паршина М.С., Мешков И.Б., Василенко Н.Г., Черкаев Г.В., Гончарук Г.П., Кацулис Д.Е., Музафаров А.М. New functional metallosiloxanes with partially siloxy substituted metall atom and their use in silicone compositions Journal of Organometallic Chemistry, том 906, статья 121034 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jorganchem.2019.121034

3. Маннанов А.Л., Савченко П.С., Лупоносов Ю.Н., Солодухин А.Н., Пономаренко С.А., Паращук Д.Ю. Charge photogeneration and recombination in single-material organic solar cells and photodetectors based on conjugated star-shaped donor-acceptor oligomers Organic Electronics (год публикации - 2020)
10.1016/j.orgel.2019.105588

4. Труль А.А., Чекусова В.П., Полинская М.С., Киселев А.Н., Агина Е.В., Пономаренко С.А. NH3 and H2S real-time detection in the humid air by two-layer Langmuir-Schaefer OFETs Journal of Materials Chemistry C (год публикации - 2020)

5. Анисимов Д.С., Чекусова В.П., Труль А.А., Абрамов А.А., Киселев А.Н., Борщев О.В., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Versatile platform for ultra-sensitive electronic nose based on organic field effect transistors Nature (год публикации - 2020)

6. Труль А.А., Чекусова В.П., Полинская М.С., Киселев А.Н., Агина Е.В., Пономаренко С.А. NH3 and H2S real-time detection in the humid air by two-layer Langmuir-Schaefer OFETs Sensors and Actuators B: Chemical, том 321, статья 128609 (год публикации - 2020)
10.1016/j.snb.2020.128609

7. П.А. Шапошник, С.А. Запуниди, М.В. Шестаков, Е.В. Агина, С.А, Пономаренко Modern bio- and chemosensors for the liquid environment and neuromorphic devices based on organic semiconductors Russian Chemical Reviews, том 89. номер 12, страницы 1483–1506 (год публикации - 2020)
10.1070/RCR4973

8. Гаврик А., Маннанов А.Л., Царев С., Бруевич В.В,, Труханов В.А., Черников Ю.А., Савченко П.С., Гвоздкова Ю.Д., Солодухин А.Н., Трошин П.А., Пономаренко С.А., Паращук Д.Ю. Spectral technique for accurate efficiency measurements of emerging solar cells SOLAR ENERGY, том 206, страницы 770-777 (год публикации - 2020)
10.1016/j.solener.2020.06.015

9. Шапошник П.А., Анисимов Д.А., Труль А.А., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Простой подход к созданию высокоэффективных органических электролитических транзисторов путем микросегрегации фаз в смесях 2,7-диоктил[1]бензотиено[3,2-b]бензотиофена и полистирола Доклады академии наук. Химия, науки о материалах (Doklady Physical Chemistry) (год публикации - 2021)

10. Шкунов М., Солодухин А.Н., Гианку П., Аскю Л., Балакирев Д.А., Калиниченко Н.К., Лупоносов Ю.Н., Марко И.П., Свини С.Дж., Пономаренко С.А. Pixelated full-colour small molecule semiconductor devices towards artificial retinas Journal of Materials Chemistry C (год публикации - 2021)

11. Худышкина А.Д., Лупоносов Ю.Н., Шавченко В.Г., Пономаренко С.А. Synthesis and characterization of polyacrylonitrile-grafted copolymers based on poly(vinylidene fluoride) European Polymer Journal (год публикации - 2021)

12. Гаврик А., Маннанов А.Л., Царев С., Бруевич В.В,, Труханов В.А., Черников Ю.А., Савченко П.С., Гвоздкова Ю.Д., Солодухин А.Н., Трошин П.А., Пономаренко С.А., Паращук Д.Ю. Spectral technique for accurate efficiency measurements of emerging solar cells (vol 206, pg 770, 2020) Solar Energy, Volume 214, 15 January 2021, Page 655 (год публикации - 2021)
10.1016/j.solener.2020.12.012

13. Худышкина А.Д., Лупоносов Ю.Н., Шевченко В.Г., Пономаренко С.А. Synthesis and characterization of polyacrylonitrile-grafted copolymers based on poly(vinylidene fluoride) Express Polymer Letters, v. 15, No. 10, p. 957-971 (год публикации - 2021)
10.3144/expresspolymlett.2021.77

14. Шапошник П.А., Анисимов Д.А., Труль А.А., Агина Е.В., Пономаренко С.А. A Simple Approach to Fabrication of Highly Efficient Electrolyte- Gated Organic Transistors by Phase Microsegregation of 2,7-Dioctyl [1]benzothieno[3,2-b]benzothiophene and Polystyrene Mixtures Doklady Physical Chemistry, Vol. 496, Part 2, pp. 20–24 (год публикации - 2021)
10.1134/S0012501621020019

15. Владимирова Ю.В., Маннанов А.Л., Лупоносов Ю.Н., Пономаренко С.А., Паращук Д.Ю., Задков В.Н. Effect of SiO2 nanoparticles embedded in the electrode layer on the efficiency of organic solar cells Optical Materials Express, Vol. 11, No. 5, Pages 1537-1545 (год публикации - 2021)
10.1364/OME.422227

16. Анисимов Д.С., Черкасова В.П., Труль А.А., Абрамов А.А., Борщев О.В., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Fully integrated ultra-sensitive electronic nose based on organic field-effect transistors Scientific Reports, volume 11, Article number: 10683 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-88569-x

17. Лупоносов Ю.Н., Солодухин А.Н., Маннанов А.Л., Савченко П.С., Рауль Б.А.Л., Перегудова С.М., Сурин Н.М., Бакиров А.В., Щербина М.А., Чвалун С.Н., Пшеничников М.С., Паращук Д.Ю., Пономаренко С.А. Effect of oligothiophene π-bridge length in D-π-A star-shaped small molecules on properties and photovoltaic performance in single-component and bulk-heterojunction organic solar cells and photodetectors Materials Today Energy, Volume 22, Article number 00863 (год публикации - 2021)
10.1016/j.mtener.2021.100863

18. Шкунов М., Солодухин А.Н., Гианку П., Аскю Л., Балакирев Д.А., Калиниченко Н.К., Лупоносов Ю.Н., Марко И.П., Свини С.Дж., Пономаренко С.А. Pixelated full-colour small molecule semiconductor devices towards artificial retinas Journal of Materials Chemistry C, Volume 9, Number 18, Pages 5829–6088 (год публикации - 2021)
10.1039/D0TC05383J

19. Труль А.А., Чекусова В.П., Анисимов Д.С., Борщев О.В., Полинская М.С., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Operationally stable ultrathin OFETs based on siloxane dimers of benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene suitable for ethanethiol detection Advanced Electronic Materials (год публикации - 2022)

20. Скоротецкий М.С., Сурин Н.М., Свидченко Е.А., Писарев С.А., Федоров Ю.В., Борщев О.В., Кулешов Б.С., Пономаренко С.А. Synthesis and optical properties of novel meta-conjugated organic molecules with 1,3,5-benzene branching units Dyes and Pigments (год публикации - 2022)

21. Полинская М.С., Лупоносов Л.Ю., Борщев О.В., Гюльхер Дж., Цинер У., Марран А., Ван Дж., Бузин М. И., Музафаров А.М., Пономаренко С.А. Synthesis and aggregation behaviour of novel linear and branched oligothiophene-containing organosilicon multipods European Journal of Organic Chemistry (год публикации - 2022)

22. Пономаренко С.А., Агина Е.В., Труль А.А., Анисимов Д.С., Чекусова В.П., Полинская М.С., Борщев О.В. Self-Assembling Organic Semiconductors for Chemical Sensing ECS Meeting Abstracts, Meet. Abstr. MA2021-01 1044 (год публикации - 2021)
10.1149/MA2021-01321044mtgabs

23. Пойманова Э.Ю Шапошник П.A., Анисимов Д.S., Завьялова Э.G., Труль А.A., Скоротецкий М.S., Борщёв О.V., Д. З. Винницкий, Полинская М.С., Крылов В.Б. Нифантьев Н.Э., Агина Е.В., Пономаренко С.A. Biorecognition layer based on biotin-containing BTBT derivative for biosensing by electrolyte-gated organic field-effect transistors ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2022)

24. Антон Давыдок, Юрий Н. Лупоносов, Сергей А. Пономаренко и Сурен Григорян In Situ Coupling Applied Voltage and Synchrotron Radiation: Operando Characterization of Transistors Nanoscale Research Letters, Volume 17, Article number: 22 (год публикации - 2022)
10.1186/s11671-022-03662-y

25. Клеймюк Е.А., Косякова А.И., Бузин А.И., Шевченко В.Г., Лупоносов Ю.Н., Пономаренко С.А. Polyvinylidene Fluoride Copolymers with Grafted Polyethyl Methacrylate Chains: Synthesis and Thermal and Dielectric Properties Polymer Science, Series C, том 64, № 2, с. 218–228 (год публикации - 2022)
10.1134/S1811238222700138

26. Тарасенков А.Н., Паршина М.С., Тебенева Н.А., Борисов К.М., Гончарук Г.П., Шевченко В.Г., Пономаренко С.А., Музафаров А.М. Metalloalkoxysiloxanes-cured polydimethylsiloxane compositions filled with silica component for special applications: dielectric and mechanical properties Express Polymer Letters, Vol.16, No.8, p. 846–870 (год публикации - 2022)
10.3144/expresspolymlett.2022.62

27. Пойманова Е.Ю., Шапошник П.А., Караман П.Н., Анисимов Д.С., Скоротецкий М.С., Полинская М.С., Борщев О.В., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Electrolyte-gated organic field-effect transistors based on 2,6-dioctyltetrathienoacene as a convenient platform for fabrication of liquid biosensors Russian Chemical Bulletin, Volume 71, Issue 10, Pages 2116-2122 (год публикации - 2022)
10.1007/s11172-022-3635-7

28. Заборин Е.А., Борщев О.В., Скоротецкий М.С., Городов В.В., Бакиров А.В., Полинская М.С., Чвалун С.Н., Пономаренко С.А. Synthesis and thermal and phase behavior of polysiloxanes with grafted dialkyl-substituted [1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene groups Polymer Science, Series B, пока нет данных (год публикации - 2022)
10.1134/S1560090422700427

29. Титова Я.О., Пойманова Е.Ю., Труль А.А., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Эффективный подход к изготовлению многоразовых печатных органических электрохимических транзисторов на основе ПЭДОТ:ПСС для жидкостных сенсоров Известия Академии наук. Серия Химическая (год публикации - 2023)

30. Казарян Г., Хмельницкая А., Безсуднов И., Калинина А., Агина Е., Пономаренко С. A concise guide to spring-roll actuator assembly Heliyon (год публикации - 2023)

31. Полинская М.С., Труль А.А., Борщев О.В., Скоротецкий М.С., Гайдаржи В.П., Тоиров С.К., Анисимов Д.С., Бакиров А.В., Чвалун С.Н., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Influence of terminal alkyl groups on the structure, electrical and sensory properties of thin films of self-assembling organosilicon derivatives of benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene Journal of Materials Chemistry C (год публикации - 2023)

32. Безсуднов И.В., Хмельницкая А.Г., Калинина А.А., Пономаренко С.А. Материалы и конструкции диэлектрических эластомерных актюаторов Успехи химии (год публикации - 2023)

33. Анисимов Д.С., Абрамов А.А., Гайдаржи В.П., Каплан Д.С., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Food freshness measurements and products differentiations by portable electronic nose based on organic field-effect transistors ACS Omega (год публикации - 2023)

34. Маннанов А.Л., Балакирев Д.О., Папковская Е.Д., Солодухин А.Н., Лупоносов Ю.Н., Паращук Д.Ю., Пономаренко С.А. Spectrally selective full-color single-component organic photodetectors based on donor-acceptor conjugated molecules Molecules (год публикации - 2023)

35. Шапошник П.А., Пойманова Е.Ю., Абрамов А.А., Труль А.А., Анисимов Д.С., Кретова Е.А., Агина Е.В., Пономаренко С.А. Applying of C8-BTBT based EGOFETs at Different pH values of the electrolyte Chemosensors (год публикации - 2023)

Публикации