Не фантастика: российские ученые изобрели строительный материал для «небоскребов-батарей»

Специалисты из ЮФУ придумали новые фоточувствительные материалы, которые могут произвести революцию в солнечных технологиях и так называемых «прозрачной» и «носимой» электрониках. В целом, сами названия концепций говорят сами за себя, но ниже все же разберем их подробнее. Это даст представление о востребованности прорывного труда отечественных умов.

Научная фантастика — это зеркало мечтаний человечества. Пересматривая старые фантастические фильмы, можно отметить предел мечтаний, который актуален на тот момент времени — мощный компьютер на лампах, который занимает менее одного отсека на борту космического корабля. Он издает множество звуков и мерцает приборными панелями, показывая зрителю высокое быстродействие системы. Время движется вперед, закон Мура неумолимо действует — количество транзисторов на кристалле полупроводниковой микросхемы удваивается примерно каждые два года. Это значит, что компьютер в отсеке космолета через 10 лет станет мощнее в 32 раза. А если применить закон к размеру ЭВМ, то компьютер той же мощности через 10 лет будет занимать 1/32 отсека.

Самый первый iPhone превосходит вычислительную мощность компьютеров NASA, с помощью которых в 1969 году американцы осуществили высадку на Луне. Современный iPhone XS способен проводить вычисления для 120 миллионов лунных программ единовременно. Вот и все, уже нужно мечтать о чем-то другом, а не о компактном бортовом компьютере. Ламповые мигающие шкафы, перфоленты и другие атрибуты фантастических фильмов про будущее остались в далеком прошлом и иногда вызывают улыбку и даже смех у молодого поколения.

На смену пришли другие мечтания — парящие в воздухе голограммы и возникающие из ниоткуда дисплеи. Более приземленные фантазии уже понемногу воплощаются в жизнь — например, гибкие и прозрачные дисплеи.

Долго, дорого, ненадежно

Сетевая маркетинговая мудрость гласит «быстро, надежно, дешево — выберите два из трех». Во многом это правильно и для электроники. Уже несколько лет, как есть разные концепты гаджетов — гибких, прозрачных, «умеющих» уменьшать свои дисплеи в длину и ширину.

С прозрачной электроникой все ясно из ее названия. Но пока что эта технология есть лишь в концептах. В некоторых автомобилях появились аналоги прозрачной электроники — на торпедо установлен дисплей, который показывает зеркальное изображение. Этот экран не виден напрямую водителю или пассажирам, но он отражается в лобовом стекле, и отраженная картинка уже имеет правильную ориентацию — все символы читабельны, следить за показателями скорости, температуры и уведомлениями технических датчиков и за дорогой намного проще. Делать из ветрового стекла настоящий дисплей невыгодно по нескольким причинам. Помимо большой цены, экран не получится сделать компактным. В случае повреждения заменить его будет дорого и скорее всего долго. Видимо, человечество пока что отступило на шаг назад от этой идеи — на осеннем автошоу в Китае в этом году бал правили широкие (в половину приборной панели) дисплеи, но никак не их отражения в лобовом стекле. Автомобиль — самый простой пример, но для истребителя, авиалайнера, исследовательского батискафа концепт тоже востребован. А еще это могут быть «умные очки» или различные панели управления, которые не преграждают обзор.

Прозрачную электронику еще иногда называют невидимой. А носимая электроника — это та, которую можно встроить в одежду или бижутерию. Представьте себе часы, которые появятся из ниоткуда в тот момент, когда обладатель гаджета взглянет на пустое запястье. И гаджет исчезнет вскоре после того, как их обладатель отведет взгляд. Это одновременно и прозрачная, и носимая электроника. Для реализации фантастической диковинки нужны не только сам прозрачный и гибкий дисплей, но и прозрачные или малозаметные микросхемы с датчиками (для изобретения попроще — датчик поворота запястья, если же посложнее — считывающий взгляд датчик, который сейчас есть в каждом втором телефоне).

Самая бесполезная солнечная батарея

Трудно представить себе такое изобретение — прозрачную солнечную батарею. Звучит как оксюморон. Устройство такое же «полезное», как фонарик на солнечной батарее, который сможет работать только в освещенных местах (такого устройства не существует, так как никому не пришло в голову его создавать). Но это лишь для непосвященных людей и для невооруженного взгляда.

На деле все несколько сложнее и оттого интереснее. Солнечный (или любой другой) свет отражается от поверхностей, какая-то его часть попадает на сетчатку наблюдателя — таким образом мы видим окружающий мир. В абсолютной темноте нечему раздражать рецепторы сетчатки. Но мы не видим инфракрасный и ультрафиолетовый спектр световой волны. Инфракрасное излучение можно почувствовать, приложив ладонь к радиатору отопления или взяв кружку с кофе в руку. Ультрафиолетовое излучение мы не увидим никак, но можем видеть его действие — белая одежда «мерцает» синеватым светом на танцполе. А на купюрах под действием ультрафиолета видны водяные знаки и прочие символы. Если бы только кто-то изобрел солнечную батарею, которая была бы непроницаемой для ультрафиолета и прозрачной для человеческого глаза. Представьте себе сверкающий небоскреб, все окна которого — это солнечные батареи. От обычного здания его нельзя было бы отличить невооруженным взглядом.

Zinc about it

Оксид цинка был известен древним культурам как минерал цинкит (Zincite). В его чистой форме в лаборатории впервые был получен в 1845 году. В каких-либо залежах или породах цинкит встречается редко, потому практического значения как руда цинка он не имеет (хотя содержит около 80% этого металла). Очень ценится коллекционерами, может применяться как поделочный камень в ювелирном деле — его кристаллы обычно очень причудливы в своей форме.

Но широкое практическое применение для этого материала в электронике нашлось сравнительно недавно.

Одним из важных свойств оксида цинка является его прозрачность для видимого света. Это открывает возможности для использования в технологиях прозрачной электроники. При этом ZnO обладает полупроводниковыми свойствами, то есть из него можно «строить» различные чипы. Есть, конечно, и минусы. Оксид цинка более прихотлив к перепадам температур, чем традиционная кремниевая и другая микроэлектроника. А еще при производстве прозрачных электронных компонентов нужен тщательный контроль процессов — это дольше и сложнее, чем работа с кремнием. Нужно более сложное оборудование. В итоге даже самые дешевые компоненты на основе оксида цинка выходят совсем не дешевыми в сравнении с простыми непрозрачными аналогами. Кстати, в качестве прозрачного проводника используется и оксид индия-олова, который относительно дорог и при этом хрупок. Возможно, потенциал этого материала еще раскроется в будущем.

В полмгновения ока

На правах промежуточного итога — мы выяснили, что оксид цинка это уникальный материал, который объединяет в себе прозрачность и полупроводниковые свойства, а это открывает новые горизонты для прозрачной, носимой, невидимой и прочей электроники. Несмотря на сложности в его использовании, потенциал в создании невидимых электронных устройств делает его очень перспективным материалом для будущих технологий. Но если про него уже так много известно, что вообще придумали ученые из ЮФУ?

Исследуя возможности оксида цинка, изобретатели пробовали добавлять к нему и другие материалы. В ходе многочисленных опытов они выяснили, что оксид цинка лучше всего взаимодействует с оксидом кобальта (Co3O4). Композитным методом (грубо говоря — «сэндвич») из этих двух материалов можно создавать тонкие и прозрачные пленки. Видимостью материала можно управлять: он может менять свою прозрачность со скоростью отклика в 26 миллисекунд. Для сравнения — человек моргает в среднем за 50 миллисекунд (0,05 секунды). При этом толщина пленок — 30-600 нанометров. Это в 10-12 раз меньше диаметра эритроцита. Или в 130 раз тоньше человеческого волоса.

Материал чувствителен как к невидимому нам ультрафиолету, так и к «обычному» свету. В этом плане у него нет конкурентов — существуют фоторезисторы и прочие оптические материалы, способные работать в одном из спектров, но не сразу в двух.

Не менее важные особенности полученного композита — он обходится в производстве дешевле аналогов, при этом технология изготовления проще, а по многим своим качествам материал лучше подобных. Кстати, метод изготовления запатентован в ЮФУ. Это так называемый твердофазный пиролиз. Упрощенно говоря, прожигание материала в такой среде, где он не сможет сгореть. При этом в установке можно задать давление и точные пропорции необходимых веществ.

В обозримом будущем специалисты будут легировать новые композиты ионами меди, никеля и других металлов, исследуют их оптические, электрические, каталитические и газочувствительные свойства.

«Создание таких материалов — это лишь первый шаг. Нам удалось не только достичь высокой фоточувствительности, но и обеспечить материалы высокой оптической прозрачностью, что открывает новые перспективы для солнечных элементов и устройств прозрачной электроники», — рассказал профессор кафедры техносферной безопасности и химии ИНЭП ЮФУ Виктор Петров.

Источник