Ожидаемый прорыв в электронике возможен, когда его поддерживают инновационные материалы. Но возникает вопрос: сама потребность в новых материалах для электроники – экономическая или технологическая?
В рубрике «Просто о сложном» отвечает кандидат физико-математических наук, руководитель группы компаний SNDGroup Ольга Квашенкина.
На самом деле, в самом вопросе заключена и часть ответа. Ведь новые материалы в электронике возникают по двум причинам – экономической и технологической. Сначала при оптимизации процессов и устройств возникает именно технологическая потребность в материалах, но очень быстро она влечет разработку экономической составляющей.
Рассмотрим, например, такую сложную систему устройств, как самолет. Самые первые летательные аппараты создавались из дерева, бумаги, ткани и каких-то совершенно ненадежных, с точки зрения современности, материалов. Такие аппараты были достаточно легкими. Хотя возникали сложности с их масштабированием, с созданием крупных образцов для пассажирских и грузовых перевозок. Кроме того, материалы не обеспечивали надежность.
Потом пришла эпоха железных самолетов, сделанных практически полностью из металла. Воздушный транспорт стал достаточно надежным, масштабным и тяжелым. Но от массы самолета зависел расход топлива. Так что стоимость перелета оказалась высокой. Это была одна из важных экономических составляющих, потребовавших корректировки.
Для начала оптимизировали конструкции внутреннего пространства салона и кабины пилотов. Затем посмотрели в сторону новых материалов, в частности, углеволокна и пластика.
Сейчас стараются максимально облегчать уже сами корпуса и электронное оборудование, применяют новые методы изготовления. Материалы, используемые в современном авиастроении, становятся прочнее и легче, что для крупногабаритных машин имеет, в конечном счете, решающий экономический эффект.
Давайте, теперь спустимся с уровня макроструктур к наноструктурам и посмотрим, как возникает необходимость использования новых материалов именно в электронике. Уходить от примера самолета не будем. Просто погрузимся в глубины «внутренней начинки», скрытой от глаз пассажиров.
Каждая система самолета, его закрылки, шасси, системы жизнеобеспечения и прочие элементы завязаны на электронную сеть датчиков или сенсоров, которые сообщают по электронной сети в кабину пилота информацию о состоянии устройств. Это и количество топлива в баках, и состояние двигателей, и температура, как на борту, так и за бортом, и многое другое. Так вот сеть датчиков прошла довольно длинный путь эволюционного развития.
На заре сенсоризации авиастроения сами датчики были достаточно громоздкими и обладали небольшим диапазоном электронного видения. При этом сигнал передавался по металлическим проводам. То есть при низком КПД система датчиков составляла большой процент от общей массы самолета.
С переходом на новые материалы произошел скачок, образно говоря, с макроуровня, то есть от больших громоздких сенсоров, до микроуровня. А сегодня система заходит на наноуровень.
Появились сенсоры на основе современных тонкоплёночных наноматериалов материалов. Чувствительный элемент – это уже не громоздкий кристалл, а тончайшая многослойная плёнка, состоящая из множества нанослоёв. Сам сенсор стал на порядок легче. Диапазон чувствительности значительно увеличился.
Новые материалы наноуровня очень часто используют в качестве чувствительных элементов для сенсоров с расширенным диапазоном чувствительности. Инновационные материалы проявляют уникальные свойства, позволяющие расширять этот диапазон.
Таким образом, современные сенсоры легче, больше видят и часто не требуют проводов для передачи сигнала. При этом они дешевле и надежнее аналогов прошлых поколений. Поэтому экономический эффект от их использования тесно связан с технологическим.
Очень часто поиск новых технологий запускают компании, заинтересованные в экономической выгоде. И наоборот, ученые, разработавшие те или иные инновации, заинтересовывают производителей не красотой и совершенством технического решения, а финансовым эффектом от его внедрения.