КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-73-30028

НазваниеРазработка новых функциональных материалов для биосовместимой органической электроники и робототехники

РуководительПономаренко Сергей Анатольевич, Доктор химических наук

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

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда 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 (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Задачей проекта является разработка новых высокоэффективных функциональных олигомерных и полимерных материалов для мягкой робототехники и биосовместимой органической электроники. Актуальность проекта обусловлена интенсивным развитием исследований в этой области во всем мире. Проект развивает 5 взаимосвязанных направлений в различных областях применения таких материалов: Искусственные мышцы, Электронная кожа, Электронный нос, Электронный язык и Электронный глаз. Новые задачи связаны с переходом от олигомерных к полимерным материалам, а также повышением эффективности и технологичности разработанных материалов. Для разработки Искусственных мышц на основе диэлектрических эластомерных актюаторов планируется сосредоточиться на разработке новых и тестировании разработанных материалов в качестве электромеханических устройств (актюаторы и сенсоры давления), и выявлении закономерностей влияния состава и строения компонентов композиций на совокупность диэлектрических и механических свойств разрабатываемых материалов. Для создания Электронной кожи как комбинации сенсоров давления, температуры и влажности, актуальность работы связана с успехами создания раздельных сенсоров каждого типа, и изучением возможностей их комбинации и интеграции в единое устройство, которое можно будет использовать не только в робототехнике, но и в интернете вещей и целом ряде других промышленных применений. По направлению Электронный нос на основе органических полевых транзисторов актуальным является исследование тонкой настройки их свойств путем изменения полупроводникового или интерфейсного диэлектрического слоя. Планируется изучить возможности перехода от ручного переноса активного слоя к легко масштабируемым методам его нанесения, совместимых с рулонными технологиями. Для этого будут синтезированы и изучиены полупроводниковые и сенсорные свойства новых полимерных органических полупроводников (ОП), аналогичных изученным ранее силоксановым димерам. Для интеграции газовых сенсоров в конечные устройства Электронного носа будут исследованы возможности уменьшения толщины диэлектрика для снижения рабочих напряжений, переход к гибким подложкам и полимерным диэлектрикам, что позволит создавать сенсоры с помощью рулонных технологий. Изменение топологии электродов сенсоров позволит упростить их интеграцию в конечные устройства. По направлению Электронный язык на основе органических электролитических транзисторов планируется синтез и исследование новых полимерных ОП для использования в качестве токонесущего или биорецепторного слоя, что должно улучшить электрические характеристики устройств и их стабильность в водной среде. Принципиально новой задачей является исследование сверхтонких (моно- и полимолекулярных) полупроводниковых слоев для повышения чувствительности таких сенсоров. Планируется расширить библиотеку определяемых аналитов благодаря новым биорецепторным слоям, а также добавить новые классы определяемых веществ. По направлению Электронный глаз планируется разработка более эффективных фотодетекторов с узкой спектральной чувствительностью, соответствующей фоторецепторам сетчатки глаза человека: палочкам и колбочкам. Запланированы синтез и исследования новых материалов и устройств в условиях, моделирующих биологическую среду, изучение их стабильности и биосовместимости. Будут изучены органические фотодетекторы нового типа на основе органических экситонных солнечных фотоэлементов, нефуллереновые акцепторные материалы, а также новые полимерные ОП. Будут продолжены исследования стабильных водных дисперсий наночастиц ОП и фотоотклика на них клеток нейронов как потенциальных искусственных фоторецепторов сетчатки глаза. Запланирован поиск наиболее оптимальных по своей структуре ОП для лучшей интеграции с липидами мембран клеток, изучение их биосовместимости, токсичности и лежащих в основе данного явления механизмов, а также переход от экспериментов in vitro к опытам in vivo, используя новые материалы и оригинальные подходы.

Ожидаемые результаты
Проект фактически развивает 5 направлений в различных, но взаимосвязанных областях применения новых функциональных олигомерных и полимерных материалов (искусственные мышцы, электронная кожа, электронный нос, электронный язык и электронный глаз), результаты по которым и их научная значимость кратко рассмотрена ниже. По направлениям «Искусственные мышцы» и «Искусственная кожа» будут решены следующие ключевые задачи: - создание эластомерных ПДМС композитов с высокой (>4) диэлектрической проницаемостью на частотах не менее 10 Гц на основе металлосилоксанов и MQ сополимеров, где в части металлосилоксановых композиций работы направлены на улучшение механических (эластомерных) свойств композитов за счет изменения условий формирования композитов, в части молекулярных композитов на MQ сополимеров – на модификацию компонентов композиций полярными группами и установление зависимостей структура компонентов и состав композиций ¬ - свойства; - создание актюаторов, как на основе ПДМС композитов с высокой диэлектрической проницаемостью, так и на основе терморасширяемых ПДМС композитов («Искусственные мышцы»), и сенсоров давления («Искусственная кожа») на основе разработанных компонентов. Кроме этого, в рамках направления «Искусственная кожа» будут решены задачи повышения стабильности работы и воспроизводимости свойств разработанных в рамках Проекта 2019 года печатных сенсоров давления, температуры и влажности, а также их интеграции в единые устройства в различных конфигурациях с целью последующего их производства на площадях промышленного партнера – АО «Гознак». С использованием разработанных в Проекте 2019 года технологий и испытательных стендов планируется исследовать возможности создания печатных сенсоров давления на основе бутилкаучуков российского производства от промышленного партнера ПАО «Сибур». Все вместе должно позволить получить синергию от совместной работы с российским производителем материалов (ПАО «Сибур») и российским производителем разнообразных изделий печатными методами (АО «Гознак»). По направлению «электронный нос» будут исследованы методики тонкой настройки свойств газовых сенсоров на основе органических полевых транзисторов (ОПТ) с помощью изменения различных слоев устройства, таких как полупроводниковый или интерфейсный диэлектрический слой. Методика формирования полупроводникового слоя на основе ручного переноса Ленгмюровских слоев будет заменена на другие, более автоматизированные методы: дозирующего лезвия, slot-dye coating или струйную печать, которые совместимы с рулонными технологиями. Для их использования планируется перейти от олигомерных к полимерным органическим полупроводникам полупроводниковым ядром на основе бензотиенобензотиофена (BTBT), хорошо изученным в рамках Проекта 2019. Для этого будут синтезированы такие полимеры – аналоги изученных силоксановых димеров, изучена их структура, пленкообразованиа, полупроводниковые и сенсорные свойства. С точки зрения практической интеграции газовых сенсоров в конечные устройства «электронного носа», планируется пройти также пройти достаточно сложный путь, начиная с уменьшения толщины диэлектрика – диоксида кремния – с целью снижения рабочих напряжений сенсоров, что позволит упростить электронную обвязку, обеспечивающую его функционирование. Дальнейший переход к гибким подложкам и полностью полимерным диэлектрикам позволит создавать сенсоры с помощью рулонных технологий, что позволит уменьшить стоимость таких сенсоров и «электронного носа» на их основе. Планируется также изменить топологию электродов отдельных сенсоров, что позволит упростить интеграцию сенсоров в электронные устройства. Проведение на каждом таком шаге исследований по оптимизации функциональных слоев, условий их нанесения, изучения электрических и сенсорных характеристик новых сенсорных материалов и устройств на их основе позволит приблизиться от лабораторного образца «электронного носа» к возможности его серийного производства и применения в различных областях, таких как экологический мониторинг чистоты воздуха, контроль качестве продуктов, диагностика заболеваний по выдыхаемому воздуху. В рамках направления «Электронный язык» на основе органических электролитических транзисторов (ОЭТ) будут созданы и исследованы новые олигомерные и полимерные полупроводниковые материалы, которые можно использовать в качестве токонесущего слоя или биорецепторного слоя, что потенциально поможет улучшить электрические характеристики устройств и их стабильность в водной среде. Решение принципиально новой задачи для развития таких сенсоров - использование сверхтонких (моно- и полимолекулярных) полупроводниковых слоев, хорошо зарекомендовавшей себя в области газовых сенсоров тем, позволит повысить чувствительность жидкостных сенсоров и упростить технологию их изготовления. Использование новых биорецепторных слоев позволит расширить библиотеку определяемых аналитов, а также добавить новые классы определяемых веществ. Положительные результаты исследования возможностей альтернативного подхода к биомодифицированию ОЭТ, заключающегося в биомодифицировании электрода затвора позволят применять один и тот же электрод для различной архитектуры ОЭТ, что упростит технологию их получения и, возможно, повысит стабильность их работы. В рамках направления «электронный глаз» продолжение работ по 2 базовым подходам позволит приблизиться к получению работающих прототипов конечных устройств для решения актуальных задач в биомедицине и робототехнике. Первый подход основан на разработке однокомпонентных органических фотодетекторов с узкой спектральной чувствительностью, близко соответствующей естественным фоторецепторам сетчатки глаза человека, так называемым «палочкам» и трём типам «колбочек» (S, M, L). Будут разработаны более эффективные фотодетекторы, протестированы материалы и устройства в условиях, моделирующих биологическую среду, изучена их стабильность и биосовместимость. Изучение нового типа органических фотодетекторов на основе органических экситонных солнечных фотоэлементов, использование нефуллереновых акцепторных материалов в качестве добавок в фотоактивный слой к органическому полупроводнику (ОП), а также переход от олигомерных к полимерным ОП поволит повысить эффективность однокомпонентных фотодетекторов. Второй подход связан со способностью разработанных ОП на основе донорно-акцепторных олигомеров образовывать стабильные водные дисперсии наночастиц (НЧ) с размерами от 50 до 150 нм. При этом клетки нейронов, обработанные водными дисперсиями таких НЧ, дают отклик только на длину волны света, находящуюся в области поглощения ОП, что потенциально позволяет их использовать в качестве искусственных фоторецепторов сетчатки глаза. В результате выполнения проекта будут найдены наиболее оптимальные по своей структуре ОП для лучшей интеграции с липидами мембран клеток, изучена их биосовместимость, токсичность и лежащие в основе данного явления механизмы. Переход от экспериментов in vitro к опытам in vivo, используя новые материалы и оригинальные подходы, позволит оценить возможности практического использования разработанного подхода в лечении глазных болезней. Ожидаемые результаты объединяет общая направленность на разработку новых высокоэффективных функциональных материалов и устройств на их основе для биосовместимой органической электроники и мягкой робототехники по 5 взаимосвязанным направлениям: искусственные мышцы, электронная кожа, электронный нос, электронный язык и электронный глаз. На последнем этапе проекта планируется интегрировать полученные устройства в прототипе одного робототехнического устройства – человекоподобного робота, а полученные результаты проекта – использовать для разработки прототипов различных устройств для устранения тех или иных физических недостатков, диагностики и лечения различных болезней человека – от протезов рук до болезней глаз и диагностики заболеваний дыхательных путей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ