Когда смартфоны станут гибкими и как зашить антенну в татуировку? «Популярная наука» 28.10.2020 — Популярная наука — 7 канал Красноярск

Когда смартфоны станут гибкими и как зашить антенну в татуировку? «Популярная наука» 28.10.2020


29 октября 2020

 — Что такое гибкая электроника?

— К гибкой электронике относятся гибкие конструкции, которые используются в электронике. В качестве примера можно привести одну из первых таких конструкций — солнечные батареи. Чтобы спутник питался за счёт солнечных батарей, очень важно, чтобы их площадь была как можно больше. Тогда можно собрать много энергии и зарядить спутник как можно быстрее. Эту большую площадь как-то надо уложить в ракету. Для этого батареи складывают особым образом — методом оригами. Таким образом, можно упаковать достаточно большую площадь солнечных батарей в достаточно маленькую конструкцию.

 — Где ещё применяется технология гибкой электроники?

— Гибкая электроника нужна в тех случаях, когда нужно упаковать большую площадь. Например, в устройствах обмена информации — клавиатуры и экраны, которые можно сворачивать и разворачивать. В первую очередь, гибкая электроника предназначена для компактного расположения носителей информации. Стоит отметить, что некоторые сенсорные системы можно наносить на гибкие поверхности. Одной из таких гибких поверхностей является человек. На сегодняшний день существуют разработки, когда люди набивают себе татуировки в виде проводящих контактов, между этими контактами — что-то типа переводилки — наносят вещество, которое реагирует на оксигенацию крови, на количество сахара, оксида азота в крови.

И таким образом, можно мониторить свое состояние. Причем интересно, что татуировки в виде электрических контактов делаются с помощью новых контактов таких как графен, углеродные нанотрубки, которые являются проводящими, они вводятся в верхний слой кожи, и если достаточно грубо, да простят меня биологи, назвать кожу просто белковым композитом, в который вводятся нанотрубки и графены как и в любом полимерном композите, то они делают его проводящим. Таким образом, появляются контакты, к которым можно подводить датчики. Самое приятное, что с помощью таких татуировок, можно набивать не только контакты, но и антенны для человека. То есть он может принимать сигнал и его также передавать.

 — Такие татуировки это уже реальность?

Это передовые разработки. Конечно, когда идет речь о татуировках, которые сейчас используются экспериментально на людях при мониторинге их состояния, их ценность в том, что они непосредственно взаимодействуют с организмом, но они еще визуально могут показывать, что происходит с человеком. То есть не нужно использовать приборы измерения оксигенации в крови или брать кровь человека на сахар, а по цвету или характеру татуировки можно понять в каком состоянии находится человек.

 — Когда смартфоны станут гибкими?

Вообще на сегодняшний день уже можно делать гибкие экраны с помощью технологии OLED, organic light-emitting diode, то есть органические светодиоды. Существуют гибкие проводящие покрытия, я работал в лаборатории, где занимались такими материалами в частности. Совместить органические светодиоды прозрачные и проводящие покрытия и при этом сделать электрическую разводку к каждому диоду, в принципе, на сегодняшний день это возможно, но проблема в другом. Например, сделали гибкий экран, но его нужно чем-то питать, а вот питание может обеспечить только батарейка и нужно придумать гибкую батарейку. Проблема гибких источников тока складывается, что какая-то нагрузка на батарейку она меняет напряжение на выходе из батарейки. Если общими словами сказать, меняет характеристику этой батарейки, то есть механическая нагрузка на нее, влияет на ее электрофизические характеристики. Мы все это из детства знаем, когда был дефицит батареек, мы их жевали.

 — Что представляют собой углеродные нанотрубки?

— Дисперсными системами очень активно начали заниматься с 70-80 годов и оказалось, что у углерода этих дисперсных систем очень много. Существует байка, что при изучении спектров далёких звёзд и звездных туманностей были обнаружены спектральные линии углерода. Потому что углерод образуется в процессе термоядерных реакций. В этих линиях обнаружили серию, которая не соответствовала тому, что было известно. Стали изучать этот момент с помощью моделирования. Чтобы смоделировать, нужно создать условия звёзды на планете. Это сделали с помощью тлеющего разряда. В тлеющем разряде электроны ионизируют газ, который бомбардирует углерод. Газ, имеющий температуру 8-10 тысяч градусов Цельсия, как и на звезде, бомбардирует углерод. После просмотра спектра получили те же самые серии, что были обнаружены на звёздах. Наверняка такие эксперименты были и раньше, но все сошлось именно в 85 году. Появились очень хорошие электронные микроскопы, математические модели, которые позволяли обрабатывать структуру. Стали изучать структуру полученного углеродного материала и оказалось, что большая часть — не просто атомы углерода, а усечённый икосаэдр, или фуллерен. Икосаэдр — это двадцатигранник. Если каждую вершину усечь, то получится структура с шестьюдесятью вершинами. Поэтому и называется фуреллен — шестьдесят. Поэтому оно называется фуллеренция 60. Фуллерен назвали по другой причине, потому что эту конструкцию придумал человек с похожей фамилией Бакминстер Фуллер, поэтому в честь этого ученого назвали эту структуру. Структура оказалась удивительной. Была красивая легенда, что ее нашли где-то в космосе, но на самом деле ее нашли здесь. Идут большие споры, была ли эта легенда сначала или ее приписали к этой структуре, но эти два исследования связаны. Когда стали дальше изучать этот процесс испарения углерода, все ученые сразу поняли, что углерод имеет высокую температуру плавления. Вообще, из всех элементов углерод имеет высокую температуру плавления 4000К. Оказалось, что ему термодинамически не выгодно испаряться по атому, он испаряется по кластерам. Опять же это связано с тем, что связь между атомами и углеродом, она самая прочная и элементарная связь в природе. По крайней мере, в консервативных условиях давления. Потом стали изучать многообразие этих структур и некоторые фуллерены они бывают других размеров, а иногда они вытягиваются в капсулы и С. Ииджима как раз изучал эти капсулы и обнаружил, что это на самом деле трубочки, которые представляют собой свернутый в цилиндр графитовый лист. Причем интересен тот факт, что углерод самый твердый материал, но в форме алмаза. При этом в алмазе связь между углеродами это 9,6 электрон вольт на атом, а в графитовом слое вдоль слоя энергия связи 10 электрон вольт на атом, то есть чуть-чуть больше, поэтому эта связь в графите чуть-чуть прочнее. Надо понимать, что графит — это стабильная система, а алмаз — метастабильная, т. е. более энергетически ёмкая.
Оказалось, что этим очень интересно воспользоваться из-за углеродной нанотрубки материала, из-за того что в их стенках заключена такая большая энергия, т. е. такая прочная связь между атомами. Тем более, все знали, что существуют графитовые микрокатоды. В частности, их использовали для электронных пушек, микроскопов и т. д. Поэтому подумали «Как можно вообще использовать это всё?». И здесь самым интересным было то, что эта углеродная трубка имеет диаметр 1 нанометр, а в длину — 2 см. В длину это очень большая система, это значит, что её практически можно рукой взять. То есть, мы можем взять рукой палку, которая имеет диаметр 1 нанометр, значит, мы можем таким объектом манипулировать. Вот, например, в зондовых микроскопах используют эти углеродные нанотрубки (у них это называется — вискеры), именно для того, чтобы очень точно ощупывать поверхность и манипулировать мельчащими объектами, в том числе и достаточно крупными молекулами — макромолекулами.

Какие свойства у нанотрубок?

Эти углеродные ниточки ведут себя как арматура, они достаточно прочные. Оказывается, если добавить углеродные нанотрубки в каучук, например, в автомобильную шину, то полимерные молекулы в шине будут держаться друг за друга еще крепче, так как они будут держаться за нанотрубку, а она их будет соединять. Это называется рост энергии когезии, т. е. рост сцепленности полимера. В результате добавки природных нанотрубок — резина становится прочнее, её сложнее порвать, соответственно и стереть. Так можно получать более прочные полимерные материалы, которые предназначены для бытового товарного использования. Самый большой пиар ход, который был сделан с природными нанотрубками — увязка с яркими моментами соотношения прочности и их веса. У них очень маленькая плотность, внутри они полые, но они достаточно прочные. Если, например, сделать нитку из вольфрама, она с определенной длины просто порвётся под собственным весом. Можно сделать такую нитку из алюминия, она будет достаточно большой. А если сделать такую нитку из углеродных нанторубок, то это будет настолько длинный трос, что с помощью него можно построить лифт на орбиту.

Как работают с наноматериалами в СФУ?

В СФУ я занимаюсь не углеродными нанотрубками, а нановолокнами оксида алюминия и, в частности, их применением для различных мембран и керамик. Особенность нановолокон в том, что это на самом деле палка, значит, можно сделать хороший плотный каркас. Мы делаем диски из углеродных нановолокон, по технологии, как делается обычная бумага: фильтруем и получаем мембраны, которые можно использовать для каких-то ионоселективных процессов, т. е. отделяем одни ионы от других (занимаемся очисткой жидкости). Если речь идёт о каких-нибудь отходах, например, при производстве драгоценных металлов очень часто в отход идёт достаточно ценное сырьё. Его можно задержать на любом фильтре, но этот фильтр керамический (из оксида алюминия), значит, его можно обжечь при высоких температурах, очистить и выделить оттуда нужные вещества, которые там осели. В целом использование нановолокон в керамике позволяет армировать этот материал. Мы вводим арматуру в керамику, отчего она становится прочнее.