Представьте ноутбук весом в сто грамм, смартфон или планшет, которые легко сворачиваются в трубочку, и солнечные батареи, вшитые в ткань куртки или пальто, позволяющие это всё заряжать. Фантастика? Нет – одно из направлений развития высоких технологий, получившее название «органической электроники».
Этому направлению, которое достаточно бурно развивается в последнее десятилетие, была посвящена очередная публичная лекция в Институте цитологии и генетики – в этот раз прочитанная к.х.н. Евгением Мостовичем (НИОХ им. Н.Н. Ворожцова СО РАН).
Для начала – определимся с тем, что такое собственно органическая электроника. Она основана на органических полупроводниковых материалах. И главное ее преимущество в том, что ее можно просто распечатывать из раствора, тогда как электроника, основанная на неорганических материалах (кремний и т.п.), обычно требует при производстве высоких температур и вакуума. Еще одна важная характеристика – то, что работа многих подобных устройств основана на использовании солнечной энергии.
Полимеры, которые используются в органической электронике, должны обладать полупроводниковыми свойствами (современная химия научилась синтезировать такие материалы). Их обычно называют пи-сопряженными полимерами, так как в них есть система пи-сопряженных связей: пи-электронные оболочки соседних молекул перекрываются, и электрон может путешествовать от одной молекулы к другой, чем и обеспечивается проводимость.
Кстати, за открытие нового класса органических проводников/полупроводников - пи-сопряжённых полимеров - в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия А. Хигеру, А. Мак-Диармиду и Х. Ширакава.
В настоящее время сложилось три основных направления, в которых органическая электроника получила применение – это органические светодиоды, солнечные батареи и органические транзисторы.
Органические светодиоды (их еще называют OLED-технологией) – полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, излучающих свет при прохождении через них электрического тока. В основном их применяют при производстве различных дисплеев – такие экраны отличает высокая контрастность и яркость изображения. А еще они имеют меньшие габариты (и соответственно – массу), а также позволяют просматривать изображение под любым углом без потери качества. Но есть у таких «дисплеев и «слабые места»: относительно небольшой срок службы и высокая себестоимость изготовления матриц больших размеров. Но, как отмечают ученые, оба эти недостатка вызваны скорее новизной технологии и будут устранены уже в ближайшем будущем.
А значит, OLED-технологию можно будет использовать и для освещения. Сегодня на эти цели приходится (по подсчетам экспертов) до 19 % мирового потребления энергии. И учитывая, что органические светодиоды по своей энергоэффективности находятся в числе лидеров – вытеснение с их помощью тех же ламп накаливания даст человечеству заметную экономию энергии. Дополнительным бонусом станет то, что лампы, изготовленные по OLED-технологии, не загрязняют окружающую среду и могут быть гибкими.
Органические (полимерные) солнечные батареи ведут свою историю с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полупроводникового полимера на акцептор. Но до сих пор они являются скорее объектом исследования, нежели рыночным продуктом. Причина кроется в низком КПД: энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей. Другая, нерешенная пока проблема, – относительно короткий срок работы из-за воздействия окружающей среды. Но есть у таких батарей и свои достоинства – они недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду. В общем, ситуация схожа с OLED-технологией: большая часть проблем является обычными «болезнями роста».
Другое дело, что развитие этого направления тормозится еще и конкуренцией со стороны производителей кремниевых солнечных батарей. В частности, использующими то, что развитая компьютерная индустрия ориентируется на кремниевую электронику.
Но и тут все, как говорится, неоднозначно. Потому что помимо традиционных кремниевых, в последнее время набирают популярность – органические транзисторы. Сегодня они являются объектом ряда международных исследовательских программ и потенциально могут иметь широкое коммерческое применение. Опять же в силу характерных для всей органической электроники преимуществ: они стоят дешевле, многие процессы их изготовления выполняются при комнатных температурах, а используемая технология становится все проще. Так, в настоящее время разрабатывается технология производства транзисторов на основе коллоидных нанокристаллических растворов при помощи печати на 3D-принтере. А распространение такой технологии, в свою очередь, открывает новые возможности в создании портативных, носимых электронных устройств.
И уже сегодня появляются достаточно оригинальные прогнозы использования органической электроники в будущем. Такие, как проект «умной упаковки» молока, которая будет сообщать потребителю информацию о содержимом: насколько оно свежее, какие бактерии и в каких количествах содержит и т.п.
Конечно, перед тем, как такие прогнозы воплотятся в жизнь, ученым предстоит решить еще немало задач. Например, найти равноценную замену редкоземельному иридию (который сегодня содержится в значительной доле органических электронных устройств), разработать защитные покрытия, продлевающие срок службы подобных устройств и т.п. Но, как показывает практика, в случае с перспективными технологиями (а органическая электроника к таковым, безусловно, относится) все эти проблемы становятся решаемыми, причем, решаемыми в разумные сроки. И вполне возможно, что уже для нынешних поколений «умный пакет молока» превратится из футуристической картинки в очередной элемент обыденности.
Наталья Тимакова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии