Новости

12 января, 2023 12:24

Сергей Пономаренко: о преимуществах органической электроники, как создаются и зачем нужны искусственная кожа, мышцы, электронный нос, глаз и язык

Гибкие дисплеи, солнечные батареи нового поколения, печатные датчики, человекоподобные роботы — все это не мечта фантаста, а области применения органической электроники, одного из наиболее перспективных направлений будущего. При поддержке гранта РНФ научная группа Сергея Пономаренко, доктора химических наук, директора Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН, занимается созданием материалов, которые откроют путь к этой технологии. Исследователи работают сразу в нескольких направлениях: искусственная кожа и мышцы, электронный нос, язык и глаз. 
Сергей Пономаренко. Источник: Пресс-служба РНФ

— Зачем нужна органическая электроника и в чем ее ценность?

— Толчком для развития органической электроники стала Нобелевская премия 2000 года за открытие и исследование проводящих полимеров. Дело в том, что в конце XX века изучали полимеры, и неожиданно получилось соединение с металлическим блеском — то есть выглядело оно, как металл. Из полимеров такого типа (и не только полимеров — олигомеров и низкомолекулярных соединений), которые проводят электрический ток как металлы, либо проявляют полупроводниковые свойства, как кремний — сделали органические светоизлучающие диоды. Органические светодиоды — это элементарные устройства органической электроники, которые используются в последнем поколении современных дисплеев, появившемся после дисплеев на основе жидких кристаллов.

Чем отличается органическая электроника от неорганической? Тем, что она может быть сделана на гибкой основе: есть уже сгибающиеся телефоны, есть прототипы телевизоров, которые просто сворачиваются. В случае других применений — например, в солнечных батареях, — она может быть полупрозрачной и разноцветной. Обычная кремниевая электроника хрупкая, непрозрачная, достаточно тяжелая и дорогая. А вот электронику на основе органических проводников и полупроводников можно сделать дешевой при массовом производстве (хотя пока что органические проводники достаточно дорогие) и, используя печатные технологии, печатать, как газеты — метры в секунду. При этом у нее будут уникальные свойства, которые не везде, но интересны: гибкие дисплеи, гибкие системы освещения, гибкие солнечные панели. Например, представьте, что в будущем можно будет печатать обои, которые наклеил — и это стена, меняющая освещение. Либо это вообще будет экран, который показывает картинки. Вы смотрели фильм «Аватар»? Вот на основе органической электроники все, что там было показано, можно сделать.

Мы, правда, в рамках нашего проекта конкретно этих направлений не коснулись. У нас – органическая биоэлектроника и робототехника. Почему биоэлектроника? Дело в том, что на основе транзисторов с органическими полупроводниками получаются очень хорошие, очень чувствительные сенсоры. Они легкие, гибкие, печатные и дешевые. Например, это могут быть сенсоры на различные токсичные газы — отсюда и родилась идея, собственно, получения электронного носа. Сам по себе электронный нос — это технология использования матрицы или нескольких сенсоров, анализируя показатели которых методами машинного обучения, можно не только измерить концентрацию того или иного вещества, но и понять, что это за вещество в принципе — то есть фактически распознать запах.

Можно делать не только газовые сенсоры, но и жидкостные. Это, касается направления, связанного с электронным языком — то есть матрицы сенсоров, распознающей какие-то компоненты в образце жидкости (как это делает наш язык). И если газовыми сенсорами мы занимались и раньше, то электронный язык cтал для нас совершенно новым направлением — мы его развили с нуля в рамках проекта РНФ. Наша научная группа сделала универсальную платформу жидкостных сенсоров и проверила ее на вирус гриппа А. Но развивая ее дальше, можно будет детектировать и другие вирусы (например, коронавирус), и вообще различные биологические молекулы.

Еще у нас в проекте есть и такое направление, как электронный глаз. Мы его так называем, потому что глаз — это практически фотодетектор. Идея электронного глаза родилась из фотовольтаики: в литературе было показано, что те же молекулы, которые используются в органических солнечных батареях, фоточувствительны, и если их поместить в глаз крысы, то слепая крыса начинает видеть. Не всегда, а тогда, когда у нее нервы живые, а фоторецепторы повреждены (то есть можно заменить естественные фоторецепторы на искусственные) — своего рода протез для глаз получается.

Также у нас есть направление «искусственная кожа». Что такое кожа? Это же, по сути, тоже сенсор, только отвечает за температуру и давление. И на основе наших разработок, собственно, такие сенсоры температуры и давления мы делаем.

И последнее направление проекта — искусственная мышца. Это то, что называется актюатор. Если дословный перевод с английского — это движитель, привод. В современной робототехнике используются электрические двигатели с механическими элементами передачи: подключается электричество, он начинает крутиться, вжик-вжик — все движется, как у терминатора. А используемая в проекте идея заключается в том, чтобы электрический моторчик в механических устройствах заменить на такие полимерные материалы, которые при подаче внешнего поля — например, того же электрического поля или фотовоздействия — меняли бы свою форму. И вот это изменение формы можно использовать для движения.

Фактически, наш проект разделился на пять маленьких проектов РНФ, и каждый идет в своем направлении. Но они все же взаимосвязаны, потому что это единая технология, единая электроника.

— Наши глаза и уши устроены с физической точки зрения все же несколько проще, нежели нос и рот. Соответственно, исследователям должно быть сложнее работать с последними, потому что там много рецепторов — и обонятельные, и вкусовые. Например, нос только у человека — это 10 миллионов сенсорных нейронов и 350 рецепторных белков!

— Понятно, что мы гораздо более простые системы делаем. У нас только четыре группы сенсоров, которые по-разному реагируют на различные примеси в воздухе. Но, тем не менее, это позволяет уже кое-что различать. Конечно, по универсальности до человеческого носа мы не добрались. Но есть и свои преимущества: наш электронный нос, например, более чувствителен к некоторым газам — например, сероводород он почувствует раньше, чем человек.

— У вас достаточно комплексный проект, и иногда приходится подключать биологов и других специалистов. Вы можете чуть больше рассказать о ваших фундаментальных партнерах?

— Нам удалось привлечь коллег из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии человека РАН. Они проводили эксперименты, в частности, с биологическими клетками, с теми же крысами. Также у нас есть партнеры из Университета Суррея, профессор Максим Шкунов, мы с ним встретились на конференции и поняли, что занимаемся близкими вещами. Данный проект позволил профинансировать поездку членов научного коллектива к нему в институт, в лабораторию, где они провели ряд экспериментов, которые у нас было негде сделать. И в результате появилась хорошая научная статья.

— А что касается индустриальных партнеров?

— Вопрос с индустриальными партнерами, на самом деле, самый сложный в этом проекте, поскольку без них он бы не мог состояться. Так, наш индустриальный партнер, СИБУР, по сути, сподвиг нас подать этот проект РНФ, поскольку им необходимо было разработать новые материалы для робототехники с перспективой их производства в 2025–2030 годы. И, собственно, с подачи коллег-менеджеров из RnD СИБУР, мы и написали заявку. Поскольку у нас не было большого задела в этой области, мы сделали его комплексным — то есть исследовали не только материалы для искусственных мышц, но и другие функциональные материалы и устройства для человекоподобного робота — глаз, нос, рот и кожу.

— Зачем вашим партнерам нужен такой «электронный человек»?

— Иногда с партнерами бывают сложные взаимоотношения. За время проекта у СИБУРа поменялось несколько менеджеров, которые работали над этим направлением, включая начальника RnD. Проект ставили на паузу, пытались переориентировать с продуктов будущего на то, что можно запустить в производство уже сегодня. В какой-то момент все вообще стало сложнее с долгосрочными перспективами. Поэтому в определенный момент предусматривалось появление второго индустриального партнера. Мы привлекли АО «Гознак», которого интересуют печатные технологии, и уже для него стали делать печатные сенсоры влажности, температуры, давления – по сути, элементы «электронной кожи», которые мы создавали в рамках проекта. Здесь мы достаточно успешно продвинулись, причем не только в разработке самих материалов, но и в электронике к ним. Мы создали свою платформу, которую, надеюсь, доведем до конкретного продукта. Пока это только лабораторные прототипы, которые мы передали заказчику на испытания. После успешных испытаний, я надеюсь, что мы сможем перейти от НИР к ОКР.

— Что в итоге планируется создать?

— «Гознак» интересуют печатные технологии, поскольку они — специалисты в печати. Они не только печатают какие-то документы, но и смотрят, куда развивается мир. А мир развивается в область печатной электроники, печатных датчиков. И вот их интересуют продукты, которые можно массово печатать на оборудовании, аналогичном тому, на котором печатают, например, банкноты.

— А за рубежом есть подобные разработки?

— Есть очень много различных примеров, где используются печатные датчики давления, температуры и влажности. Например, для контроля состояния у спортсменов используются различные датчики, которые позволяют измерить температуру, давление, пульс и так далее. В качестве варианта рассматривается и «интернет вещей». Есть различные объекты, у которых нужно определять разнообразные характеристики — это может быть давление на полку с продуктами в супермаркете, или температура и влажность в помещении или на улице — и передавать эти данные на какую-то вычислительную платформу. А на ней уже можно методами машинного обучения делать предсказания о том, когда нужно на какую-то полку выставить товары, или в каком-то помещении включить отопление, или контролировать условия перевозки и хранения тех или иных товаров. Здесь много применений – нужно просто определиться с конкретным, и под него разрабатывать конкретные устройства.

— Что касается технических показателей, какова сейчас чувствительность всех этих разработанных сенсоров?

— Все по-разному, зависит от конкретного сенсора. Чувствительность и технические характеристики мы делаем те, которые нужны заказчикам — то есть такие, как указаны в техническим задании, а может быть даже и лучше.

— А можете привести какой-нибудь пример?

— Я могу рассказать про газовые сенсоры на органических транзисторах, которые чувствительны к полярным газам, таким как сероводород, аммиак, оксиды азота… Есть такой параметр – предел обнаружения. В нашем случае, для разных газов он находится в пределах от нескольких десятков миллиардных долей до сотен. Например, этилперкаптан (газ-одорант, который добавляют в природных газ для обнаружения его утечек) мы можем обнаружить в концентрации до 30 миллиардных долей, что ниже чувствительности человеческого носа. То есть наши сенсоры более чувствительны, чем человеческий нос. Их можно применять для контроля свежести продуктов или степени загрязнения воздуха. Например, за предприятиями, которые производят выбросы, связанные с тем же оксидом азота, сероводородом или аммиаком. И мы с помощью наших сенсоров можем проверить, находятся ли загрязнения на уровне предельно допустимых концентраций или есть превышения.

По этому направлению у нас также велись определенные переговоры с другими потенциальными индустриальными партнерами — например, с «Норникелем». В принципе, недорогая система мониторинга загрязнений воздуха интересует многие промышленные предприятия, но им уже сейчас нужны готовые решения. Вложиться же в ОКР от идеи до конкретного продукта — с этим у нас очень сложно, потому что есть готовые зарубежные решения, хотя они и дорогие. Но у нас, в принципе, есть преимущество в том, что наша система сенсоров на основе органических полевых транзисторов достаточно компактная и недорогая при массовом производстве.

Например, в Москве стоит 60 огромных вагончиков с современными дорогими аналитическими приборами, которые все-все мониторят. Но это не компактно и достаточно дорого. А мы предлагаем небольшую систему, коробочку, но не одну, а сеть таких коробочек, которая позволяла бы отслеживать вредные выбросы, опасные загрязнения. Мы общались с правительством Москвы на эту тему, договорились о полевых испытаниях. Посмотрим, насколько данные нашей коробочки соответствуют тому, что показывает этот большой вагончик с современными дорогими приборами! Это тоже небыстро движется, но наметки есть. Доработаем до критических характеристик, а дальше посмотрим. Проблема связана в основном с тем, что даже московское правительство не поддерживает ни опытно-конструкторские работы, ни научно-исследовательские. Они хотят купить готовую продукцию, а здесь как раз и сложность — мы же не делаем готовую продукцию. Все только как лабораторные образцы. Нужно найти какой-то источник финансирования, в рамках которого наша разработка будет доработана до конечного серийного продукта.

— У разработанных вами лабораторных образцов есть ограничения по чувствительности или по каким-то другим параметрам? И можно ли разработать еще более совершенные сенсоры?

— Здесь вопрос заключается в том, что нужно заказчикам. Можно пытаться тот или иной параметр сделать рекордным, а потом окажется, что это никому не интересно. Скажем, сделали точность в 1 градус для датчика температуры, и если этого для конкретного применения достаточно, то зачем дальше убиваться?

При переходе от научно-исследовательских работ к опытно-конструкторским зачастую важными становятся совершенно не те параметры, за которые вы боролись в процессе создания своего прототипа. Например, разработчики солнечных батарей борются за их эффективность, а потом оказывается, что важна вовсе не эффективность, а стабильность. Рекордная органическая солнечная батарея может показать эффективность 20%, но если она будет падать в несколько раз через месяц — это никому не нужно, поэтому пусть лучше работает с эффективностью 10 %, но стабильно.

Все это становится понятно только на этапе постановки конкретного техзадания конкретным заказчиком. Одним нужно одно, другим — другое, в научно-исследовательских работах всего не предусмотришь. Поэтому нет смысла заранее мучиться и оптимизировать или добиваться рекордов по какому-то одному параметру. Не хватит никаких ресурсов, ни времени, ни сил.

— Скажите, какая у вас научная мечта?

— Мне хотелось бы, конечно, чтобы то, что мы разрабатываем в науке, в конце концов дошло до практического применения. Чтобы были некие устройства, разработанные на наших материалах, и они реально работали. Мне кажется, это мечта любого ученого. Хотя разные есть люди — в том числе, специалисты по фундаментальной науке — которые развивают важные вещи, а до практического применения это дойдет лет через сто или больше. Те же жидкие кристаллы — их открыли больше 130 лет назад, не понимая, что это за состояние вещества. До применения реально прошло почти сто лет, и те, кто открыл их, не дожили до этого.

Сейчас, конечно, наука очень быстро развивается, гораздо быстрее, чем раньше. Очень много конкурентов появляется. Та же органическая электроника… Сейчас там первую скрипку играют китайские ученые. Хотя, например, коммерциализировали органическую электронику первыми в крупном масштабе и фактически единственными корейцы. У Samsung лучший дисплей на основе органических светодиодов. Они вложили очень много своих ресурсов в это направление, пригласили к себе лучших ученых со всего мира, чтобы эту технологию довести до реального применения. И сейчас те же OLED-дисплеи компания Apple для своих смартфонов покупает у Samsung.

— Как вы оцениваете поддержку РНФ?

— Я считаю, что это замечательный ресурс, объем поддержки позволяет реально развивать новые направления. В нашем случае – это направления, связанные, в частности, с биоэлектроникой, с «электронным языком», с актюаторами. Мы продолжаем совершенствовать и те наработки, которые у нас уже были — газовые сенсоры, фотовольтаика, «электронный глаз». И Фонд здесь очень сильно помог. Я считаю, что такого уровня поддержки должно быть больше.

Теги
Интервью
20 января, 2023
Неизведанный Байкал
Интервью с грантополучателем РНФ, директором Научно-исследовательского института биологии Иркутского...
18 января, 2023
«Самая большая продолжительность жизни — у академиков». Ольга Донцова — об антибиотиках и о том, почему ковиду можно сказать спасибо
С 18 по 25 ноября во всем мире прошла неделя осведомленности об антибиотиках и устойчивых бактериях...