Издатель ПостНауки Ивар Максутов побеседовал с химиком Сергеем Пономаренко о перспективах органической электроники и разработке электронных устройств: от идеи до промышленного производства. В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Электроника: устройства и принципы работы
— Что такое электроника? Какие приборы относятся к электронным?
— Первые электронные устройства — это лампы, диоды и триоды. Позже появился транзистор. Затем ученые разработали чипы и микросхемы. Современные мощные компьютеры работают на более сложных устройствах, основанных на кремнии.
— Почему одни лампочки электронные, а другие нет?
— Обычная лампочка, которая есть в каждом доме, — это электрический источник света. Материал нагревается и светится, имитируя цвет солнца. В этом процессе нет эффекта полупроводника, преобразования одного в другое, получения нового сигнала.
Электроника основана на полупроводниковых приборах. Самые простые из них — диоды, транзисторы, резисторы — применяются для создания сложных микросхем. Новые разработки делают электронные устройства сложнее и тоньше. К тому же современные приборы потребляют меньше энергии.
Электроника развивается по закону Мура: производительность процессоров удваивается каждые полгода. Однако существует физический предел, и когда-нибудь темп снизится.
— В магазинах под названием «Электроника» продают множество бытовых приборов. Они относятся к электронике, потому что состоят из полупроводников и транзисторов?
— Да. Однако в обычной лампе нет полупроводников. А в энергоэффективных светодиодных лампах действует полупроводник, поэтому они относятся к электронике.
Органическая электроника
— Что такое органическая электроника? Почему она необходима для создания современных электронных устройств?
— Органическая электроника появилась в середине XX века. Ученые впервые увидели полупроводниковые эффекты на молекулах на основе углерода. Они проявились в виде электролюминесценции — свечения, которое возникло под действием электрического поля.
Мы привыкли к тому, что полимеры — это диэлектрики (изоляторы), которые не проводят электрический ток. Однако ученые обнаружили полимеры, которые выглядят как металл и обладают полупроводниковыми или проводниковыми свойствами. А значит, из них можно делать электронные устройства.
Первые приборы на основе органической электроники были неэффективными. Главный интерес для ученых представлял фотоэффект на органических полупроводниках. В момент свечения возникает возбуждение электронов. Если свет поглощается, то теряется тепло. Цвет органического полупроводника зависит от ширины запрещенной зоны.
Существуют полупроводники с высокой эффективностью люминесценции. На их основе созданы приборы, из которых собираются дисплеи или источники освещения. У таких устройств плоская светящаяся поверхность, в отличие от обычных лампочек и энергоэффективных светодиодов.
— Какие материалы используются в органических полупроводниках?
— Органические полупроводники — это уже материалы, некий композит. Например, в солнечной батарее действует композит донора и акцептора. В качестве акцептора часто используют растворимые производные фуллеренов.
Выбор материала для устройства органической электроники зависит от свойства, которое для него необходимо. Транзисторам важна подвижность носителей зарядов, солнечным батареям — комплекс свойств, включая поглощение в широком спектральном диапазоне, подвижность носителей зарядов, морфология. Светодиодам необходимо другое — высокая эффективность свечения.
— Определение «органическая электроника» ассоциируется с чем-то недолговечным. Кажется, что она проигрывает неорганической.
— В этом есть доля правды. Когда мы впервые сделали солнечные батареи, то получили тонкие слои из органического растворителя. Поставили их на солнце, чтобы узнать, что произойдет. Слои сгорели.
Основная проблема устройств органической электроники — чувствительность к кислороду и влаге в воздухе. Поэтому приборы часто покрывают защитной пленкой. Многослойная система из полимера и неорганических слоев не пропускает кислород и влагу: иначе все процессы остановятся, а органика окислится. Время жизни органических устройств ограниченно, оно определяется свойствами материала и барьерных слоев.
С другой стороны, это свойство органических полупроводников используют для создания сверхчувствительных сенсоров. Приборы реагируют на появление нового газа в воздухе или жидкости. Например, «Электронный нос» очень хорошо различает запахи и определяет свежесть продуктов быстрее человека.
— Кислород и вода — главные друзья человека, но враги органической электроники. Вредна ли она для здоровья?
— Обычная электроника отторгается в организме человека. Органическая биоэлектроника действует по-другому. Уникальное органическое вещество PEDOT: PSS — полиэтилендиокситиофен в комплексе с полистиролсульфокислотой — хорошо проводит электрический ток. Из-за полистирола сульфокислота отлично контактирует с водой, хотя соединение нерастворимо и наносится в виде дисперсии. Металлические контакты, обработанные PEDOT: PSS, не отторгаются живым организмом.
На этом же полимере — он самый распространенный и коммерчески производимый — делают ряд устройств органической биоэлектроники. Например, транзисторы с электрохимическим затвором, у которых ток в канале регулируется через электролит. На основе таких устройств создаются сенсоры, в том числе с фантастической чувствительностью, вплоть до пикомолярных — это на три порядка меньше нано.
— Когда вы сказали о том, что электронику вживляют в живой организм, в воображении появились образы постапокалипсиса и восстания машин. Для русского человека, мне кажется, это пугающая история.
— Это дело общества — решить, как использовать то, что предлагает наука. Существует мирный атом и атомная бомба. С электроникой то же самое. Органическая биоэлектроника позволит лечить людей, у которых серьезные травмы, например перебитый нерв в спинном мозге. Сверхчувствительные сенсоры смогут найти маркеры рака и других болезней на ранней стадии. Протезы облегчат жизнь людям с инвалидностью.
Также органическая биоэлектроника пытается решить проблему, связанную со зрением. Биосовместимый полимер — политиофен — в будущем может помочь вернуть чувствительность рецепторам глаз.
— Если окажется, что органическая электроника эффективнее, то она уничтожит естественный подход? Я подразумеваю выращивание сетчатки глаза из стволовых клеток.
— Замена происходит и в науке, и в технике. В процессе конкуренции многое меняется, общество оценивает эффективность и этичность устройств и методов. Опять же вопрос: этично ли вырастить человеческий глаз? Наверное, пока нет.
— Скоро ли в бытовое использование войдут сверхпроводники, работающие при температуре выше нуля?
— Органические сверхпроводники были изобретены давно. Они работают при очень низких температурах, которые ближе к гелиевым, а не азотным.
Высокотемпературные сверхпроводники относятся не к органике, а к керамике. На эту тему произошел скандал: в журналах Nature и Science были опубликованы статьи о том, что ученые нашли высокотемпературную сверхпроводимость в политригексилтиофене. Несколько рабочих групп проверили это заявление и опровергли открытие.
Также в 2003 году были опубликованы статьи физика Хендрика Шёна. Говорили, что ученый переоткрыл все законы неорганической электроники в органике. Однако Шёна поймали на фальсификации данных.
— У органической электроники есть ряд преимуществ. Какие темы и исследования сейчас перспективны? Что представляет наибольший интерес?
— В фильмах, действие которых происходит в будущем, — «Аватаре» и «Терминаторе» — мы видели прозрачные дисплеи, информация на которых будто находилась в воздухе. Возможно, такие устройства будут сделаны на основе органической электроники. Легкость и гибкость — те преимущества органических полупроводников, которые уже использует производитель современных смартфонов.
В 2019 году несколько компаний объявили о выпуске гаджета, экран которого складывается пополам. При создании такого смартфона использовали органические полупроводники, органические люминофоры и органические светодиоды. Гаджет только выходит на рынок, и сложно сказать, сколько тысяч циклов зарядки он выдержит. Рано или поздно смартфон перестанет работать.
От научной идеи до промышленного производства
— Интересен процесс производства знания. В лаборатории ученые обнаружили новый материал с полупроводниковым свойством, провели с ним эксперимент. Спустя несколько лет мы будем пользоваться другими смартфонами, потому что кому-то в голову пришла мысль попробовать новое. Как происходит этот инсайт? Задумываются ли ученые о том, что открытие нового материала позволит производить дешевые устройства?
— Любое научное знание основано на интересе. Если у ученого нет цели узнать что-то новое, то ему нельзя заниматься наукой.
Естественные науки начались от алхимиков, которые искали философский камень, чтобы превратить дешевый материал в золото. В итоге этой цели достигли не химики, а физики. Хотя превращение в золото неэффективно, потому что процесс происходит в реакторах и обладает сильным побочным эффектом — облучением.
Иногда научные открытия происходят случайно. Первый полимерный проводник, который выглядел как металл, ученые получили из-за ошибки в расчетах. Аспирант загрузил для эксперимента катализатор — в тысячу раз больше, чем нужно. Ученые ожидали, что получится обычный полимер, но результатом стал сильно допированный проводящий полимер с проводимостью, близкой к проводимости металла.
Также существует научное предвидение. По одной из версий, химик Дмитрий Менделеев увидел периодическую систему химических элементов во сне. Значимость открытия ученого не только в систематизации, но и в предсказании новых химических элементов.
Сейчас пытаются посчитать эффективность работы каждого ученого, привести к единому стандарту. Однако рейтинги условны: в них учитывают общие критерии, которые работают не для всех. Вся наука разная.
— Как строится работа теоретиков и экспериментаторов с теми, кто внедряет новую технологию в производство? Или это одни и те же люди?
— Нужно разделять теоретиков и экспериментаторов. Теоретики проводят правильные расчеты, им важно не ошибиться со свойствами веществ. Экспериментаторы-химики синтезируют вещества, а физики делают устройство и проверяют, как оно работает.
В органической электронике тысячи веществ, которые проявляют полупроводниковые свойства, светятся или обладают фотовольтаическими свойствами. Проводить опыты с каждым из них — неблагодарное занятие.
Химики часто действуют интуитивно. Думают: если поменять структуру, то, возможно, будет лучше. Иногда это срабатывает, иногда нет. Ученые пробуют разные методы, считают основную характеристику органического полупроводника, подвижность носителей зарядов.
Химики взаимодействуют с физиками, однако у специалистов разная скорость работы. Химики могут синтезировать десятки новых соединений в год. Обычно за это время физики изучают одно-два соединения, потому что нужно оптимизировать много параметров.
Переход к промышленности занимает много времени. Для больших печатных машин или машин для напыления нужно синтезировать не граммы, а килограммы веществ. Необходимо взаимодействие ученых, инженеров и экономистов. Специалисты определяют стоимость получаемых устройств, из сотен и тысяч соединений выбирают дешевые с лучшими свойствами.
Ошибки на этом этапе могут привести к серьезным экономическим потерям. Например, компания Apple заказала у Samsung дисплеи на органических светодиодах — гораздо больше того количества последних моделей смартфонов, которые смогла продать. Произошел экономический спор на крупные суммы.
— Был ли такой случай, когда технологию, которая хорошо работает в лаборатории, было невозможно вывести на рынок из-за ограничений?
— В органической электронике много таких примеров — больше печальных, чем радостных. Один из них связан с органической фотовольтаикой (конкурентом кремниевых солнечных батарей), которую долго развивала компания Konarka Technologies. Она обанкротилась, однако разработки не исчезли: их купила фирма Belectric.
Похожий случай произошел с компанией Plastic Logic, технологию которой купила РОСНАНО. Это стало самой крупной сделкой на рынке органической электроники. Plastic Logic создала технологию получения гибких транзисторов, которая позволила сделать небьющиеся смартфоны, защищенные пластиком.
РОСНАНО пыталась вывести на рынок электронные учебники с черно-белым экраном. В это же время продавались электронные книги из Китая с цветным дисплеем. Цена устройств была примерно одинаковой. Пользователи выбирали книги с цветным дисплеем, созданные на кремнии. То, что черно-белые устройства не бьются, не сыграло никакой роли. Однако сейчас технология, купленная РОСНАНО, развивается. В Троицке построен пилотный завод.
— Международное сотрудничество важно для органической электроники и электроники в целом? Как, например, для астрофизики и физики элементарных частиц — наук, в которых сложно проводить исследования и делать открытия изолированно от других стран.
— На мой взгляд, вся наука интернациональна. Связь с другими странами важна для обмена опытом и получения знаний о новых открытиях. В электронике нет больших коллабораций, как в ядерной физике или физике элементарных частиц. Тем не менее международное общество в электронике очень развито и не менее важно, чем в других областях.
В России электроника появилась достаточно поздно, в начале 1990-х годов. В это время наука уже активно развивалась в мире.
— Кажется, что в электронике коммерциализация открытий проходит быстрее, чем в физике элементарных частиц. Мы получим эффект от бозона Хиггса через 30–50 лет. В электронике исследования другого свойства: часть исследований заказана в военных целях или внутри транснациональных корпораций, в которых возникает запрос на новые устройства: тонкие, дешевые, быстрые, яркие и так далее. Право на открытие получает страна или компания.
— Да, чаще всего результат получает заказчик, а не исполнитель: иначе непонятно, за что он платит. Кстати, в физике элементарных частиц коммерциализируется не бозон Хиггса, а те процессы, которые были использованы для поиска. Вспомним, что интернет появился благодаря Европейскому центру ядерных исследований, который создал сеть для передачи больших данных.
— Но создатели интернета не получают отчислений от многомиллиардной индустрии.
— Между электронными компаниями существует высокая конкуренция. Веществ, которые проявляют полупроводниковые свойства, очень много, и сложно найти что-то уникальное. Существуют победители и побежденные. Например, гонку за дисплеи выиграла компания Samsung.
Сегодня патенты не приносят изобретателям большие деньги, как было в XX веке. Однако бывают исключения: в начале 1990-х годов ученый придумал технологию, которая развивала лечение рака на основе органических веществ. Через 25 лет исследователь продал стартап за несколько миллиардов долларов. Но это скорее исключение, чем правило.
— Изучение важных вопросов фундаментальной науки даст результат через 10–30 лет. Рынок не откликается на этот запрос?
— Я не знаю о фундаментальных исследованиях в России, которые финансируют компании. Все-таки это задача государства: оно должно понимать приоритеты и выделять средства на актуальные проекты. Это сложный вопрос, который касается политики.
Электроника будущего
— Электроника будущего решит повседневные потребности человека?
— Да, ученые будут изобретать и производить то, что интересно покупателям и за что они готовы платить. Те устройства, которые пользуются спросом в условиях рыночной экономики.
— Но существуют области знания, очень далекие от рынка. Или даже находятся внутри него, но это дисциплины, к которым многие люди относятся со скепсисом. Например, философия, история, математика.
— В фундаментальных науках тоже применяются передовые разработки в электронике. Для космонавтики и военного дела цена неважна.
— Кто сегодня является самым важным заказчиком передовых электронных устройств?
— Сложно сказать. Военные делают большой заказ на производство оружия, которое создается в том числе из электроники. Во всем мире на это тратятся огромные деньги. Кроме того, сейчас происходит массовое потребление электронных приборов.
— Заменит ли искусственный интеллект человеческий в XXI веке?
— Это философский и научный вопрос, потому что элементы искусственного интеллекта все чаще используются в научных исследованиях. С одной стороны, технологии помогают делать новые открытия и улучшают жизнь человека. В Сингапуре и Японии уже работает метро без водителей: с задачей справляется элемент искусственного интеллекта. В XXI веке в мире станет еще больше беспилотного транспорта.
Однако компьютер уже обыграл человека и в шахматы. Если научить искусственный интеллект определенным операциям, он заменит людей. Но сможет ли искусственный интеллект быть таким же креативным, как человек? Будет ли совершать ошибки, которые приведут к открытиям? Скорее всего, нет.
